冷却水系统在民用建筑、通讯建筑和工业生产等领域常用的空调降温冷却系统,其中,冷却塔冷却系统是一种可以在过渡季和冬季充分利用室外空气自然冷却（免费供冷）的节能冷却系统,已在我国广泛应用。冷却塔冷却系统的主要耗能设备有冷却塔风机、冷却水泵以及冷水机组,在实际运行中各设备运行参数之间常存在耦合关系,这就直接影响了冷却塔冷却系统优化运行效果;特别是,由于冷却塔内部填料气-水换热特性在实际运行中不清晰、不明确且无法用于冷却水系统优化运行调节过程,而影响了进一步提高冷却水系统的运行能效。因此,亟需开展冷却塔填料气-水换热特性研究和以此为基础的冷却水系统低能耗在线优化运行方法研究。为此,本文在系统地综述了冷却塔换热模型和冷却水系统智能运行优化国内外研究进展的基础上,采用理论分析、试验研究和仿真研究等相结合的方法,面向冷却塔冷却系统在线优化运行问题,在考虑其环境温度、湿度、冷却负荷等相关输入参数及冷却塔填料气-水换热特性的前提下,研究冷却水流量、空气流量及设备运行数量等可调节量的运行优化问题,具体内容如下。首先,冷却塔填料气-水换热规律的揭示及其试验系统的建立,是研究冷却塔冷却系统优化运行的前提和基础。为此,本文通过对冷却塔填料气-水换热过程的理论分析,建立了冷却塔填料气-水换热性能试验系统,开发了该试验系统的分布式多协议数据采集和控制系统;运行调适的结果表明,该试验系统的热平衡误差在±5%以内,达到了本文后续试验研究要求。其次,冷却塔出水温度和气水比是冷却水系统两个关键控制参数,而填料传质系数是研究填料气-水换热过程的关键基础参数。本文利用冷却塔填料气-水换热性能试验系统,以冷却塔进水温度、室外湿球温度、冷却水流量、冷却塔空气流量为主要因素,以冷却塔出水温度为输出参数,采用正交试验等方法,试验研究了单参数变化和多参数变化时冷却塔填料气-水换热特性,得到了冷却塔出水温度与气水比的单值函数关系,推导了冷却塔填料气-水换热过程中传质系数的特征关系式,试验验证了其正确性。第三,冷却塔在线优化换热模型是在线实现冷却水系统运行优化的基础。本文在分析了冷却塔焓差法在线优化应用局限性的基础上,从逆流两相对流传热分析的角度推导了冷却塔换热模型形式,建立了基于填料传质系数特征关系的冷却塔在线优化换热模型;利用不同的冷却塔进水温度、室外湿球温度及气水比试验,验证了该模型在变工况下的适用性,结果表明,在不同的工况下,冷却塔换热量和冷却塔出水温度的预测结果与试验结果相差不超过5%,满足后续研究和工程应用要求。第四,适宜的在线优化方法的研究是解决冷却塔冷却系统运行优化的关键。本文在概述了冷却塔冷却系统各设备数学模型的基础上,首先建立了自然供冷模式和冷机供冷模式下的冷却塔冷却水系统运行优化问题的数学模型,并利用惩罚函数实现了对该约束优化数学模型的去约束化。其次,本文以粒子群算法为主体优化算法,通过仿真,改进了粒子群算法（包括自适应惩罚因子及可行域、离散变量优化方法以及并联设备运行等）,结果表明,改进后的粒子群算法优化结果在达优率、离散程度和迭代次数方面均优于传统粒子群算法,能够较好地实现冷却水系统运行能耗的在线优化,且满足工程在线应用需求。最后,为了验证上述运行优化方法的应用效果,本文以数据中心为应用对象对上述算法进行了仿真研究。结果表明,在冷却塔自然供冷模式下,当室外湿球温度较低时,冷却塔出水温度的优化值波动较小;当湿球温度较高时,冷却塔出水温度优化值与湿球温度呈线性递增关系。在冷机供冷模式下,当室外湿球温度较低时,冷却塔出水温度优化值不随湿球温度而改变;当湿球温度高时,冷却塔出水温度优化值随湿球温度而增大。改进的粒子群算法与定温差设定值、变温差设定值等传统优化方法相比,自然供冷模式下系统能耗降低了 46.7～68.8%,冷机供冷模式下系统能耗降低了 9.9～21.6%,即改进的粒子群算法具有显著的节能效果。