2015年,我国一次能源消费量约占全球一次能源消费总量的23%。目前,我国的建筑运行能耗量占总商品能耗量的份额约为30%。预计到2020年将略高于社会总能耗量的三分之一,达到35%。为了应对日益增长的建筑能源需求,有必要建设集约高效的建筑用能体系,以便进一步提高我国建筑领域可持续发展的水平。在整栋大楼的能耗中,空调系统的能耗量所占比例超过50%,而冷源的能耗一般是整个空调系统能耗的40%～70%。配备楼宇自动化控制系统后的建筑将可降低建筑能耗量的25%。因此优化闭式冷却水系统运行是保证空调系统高效和节能运行的有效途径。本文首先选取闭式冷却水系统中应用最广泛的散热设备之一——闭式冷却塔作为研究对象,建立闭式湿冷却塔性(Closed Wet Cooling Tower,CWCT)性能预测的简化模型。该模型仅包括两个待定的特征参数,可用于预测两类典型逆流CWCT的出口冷却水温,散热量和冷却系数。按照塔内空气和冷却水的一维逆流方向不同,这两类冷却塔包括平行逆流塔(Parallel Counter-Flow Cooling Tower,PCFCT)和交叉逆流塔(Cross Counter-Flow Cooling Tower,CCFCT)。在 PCFCT 内,空气和冷却水的逆流方向可以近似处理成垂直方向,与自上而下的喷淋水呈平行流动;而CCFCT内空气和冷却水的逆流可以看作水平方向,与自上而下的喷淋水呈交叉流动。基于已有文献的实验数据,采用Levenberg-Marquardt方法确定模型中的两个待定特征参数,并验证该模型在预测这两类塔冷却水出口温度时的准确性。结果表明该模型能准确的预测逆流CWCT性能。该模型由于其准确性和简化性可以成为闭式冷却水系统性能模型中不可缺少的一部分,便于闭式冷却水系统的性能分析和运行优化研究。基于已确定参数的模型,分析两类典型闭式冷却塔性能。模拟结果表明虽然这两类塔的结构形式不同,但单个因素对它们性能指标的影响相似。此外,PCFCT比CCFCT更适合于应用于大型冷却水系统。基于非线性规划,构建闭式冷却水系统节能运行的约束性优化模型,根据已有的研究建立等式约束函数和不等式约束条件;并简述将约束优化模型转化为无约束模型的惩罚函数法和求解无约束优化问题的牛顿法和模式搜索法,为分析实际闭式冷却水系统节能运行分析提供理论依据。利用所建立的等式约束函数计算闭式冷却水系统的制冷负荷、系统及其热泵机组的性能系数(coefficient of performance,COP),并在搭建闭式冷却水系统实验平台获取大量有效的测试数据。采用SPSS软件的最小二乘法(置信水平95%)拟合这些测试数据得出相关模型中的待定系数。验证系统及其CWCT性能模型的结果表明这些模型均有足够的精度用于性能预测。基于蒙特卡罗方法,量化分析不同因素对闭式冷却水系统及其热泵机组COP的影响程度。这些因素包括环境湿球温度,冷冻水的入口温度和质量流率,压缩机、塔风机和冷却水循环泵的输入功率。首先根据实验数据拟合得出这些因素的概率分布函数,其次采用最小二乘法(95%的置信水平)找出两个目标参数与这些因素之间的多元线性回归关联式,最后采用蒙特卡罗方法预测目标参数的分布范围及其分布规律,并量化评价每个因素对目标参数的影响程度。结果表明冷冻水质量流率和冷却塔风机的输入功率对两个目标参数的影响最大,冷却水泵输入功率对二者的影响很小。本文最后章节根据所提出的闭式冷却水系统节能运行非线性规划问题,采用精确惩罚函数方法将约束优化问题转化为无约束优化问题,并选择混合的L-GDS优化算法(L-BFGS算法和贪婪扩散搜索(Greedy Diffusion Search,GDS)算法)求解该无约束优化模型。在给定不可控参数(环境空气湿球温度、蒸发器入口冷冻水参数)的条件下,模拟分析两种情景(给定制冷负荷和可变制冷负荷)下不同可控变量(各个耗电设备的输入功率)的系统电耗最低值。在典型实验工况下,系统运行的优化结果表明节能潜力约为20.8%。本文对闭式冷却水系统及其主要组件性能与运行优化进行深入分析。研究结论可以为低增加成本或者无增加成本优化该系统运行的控制技术提供建议。