随着能源短缺和环境污染等问题的日益突出，节能降耗成为实现可持续发展的必然选择。水作为一种人类赖以生存的重要资源，同样面临着短缺和被污染的问题。而解决上述问题的重要途径就是要提高能源与水的利用效率。在工业生产过程中，往往会产生大量废热，这些废热会影响设备的运行效率以及使用寿命，进而影响正常的生产和产品的质量，而循环冷却水系统对维持主生产过程的安全以及延长生产设备的使用寿命起着极其重要的作用。目前所设计的循环冷却水系统，一般都能够满足主生产过程的冷却需求，但仍然存在优化的空间，可以对其进行进一步改进。因此，在保证主生产过程正常运行的前提下，尽可能提高能源和水的利用效率，进一步降低循环冷却水系统的投资成本和运行成本是一个亟待解决的问题，而采用数学规划的方法对循环冷却水系统进行高效设计是解决这一难题的有效途径。
　　为了对循环冷却水系统进行进一步优化以实现节能节水的目的，本文根据循环冷却水系统的实际运行情况，在深入分析系统特点的基础上，首先对系统的核心设备进行建模，在此基础上分别研究了单个核心设备以及整个系统的优化设计问题，最后开发了一套软件，用于对循环冷却水系统进行优化设计。本文的主要研究工作归纳如下:
　　1.循环冷却水系统结构复杂，涉及部件众多，其中的核心设备包括水泵、板式换热器以及机械通风冷却塔。由于在系统中不仅要进行热量的传递还要实现水的循环流动，所以对于换热器和冷却塔，分别建立了它们的热力学模型和动力学模型。对于水泵，则建立了描述其流量与扬程之间关系的数据驱动模型。这些模型为单个核心设备的优化设计以及整个循环冷却水系统的优化设计奠定了基础。
　　2.针对系统设计以及对已有系统进行改造的需求，研究了系统中各个核心设备单独优化设计的方法。在对水泵进行选型优化时，通过将定频水泵和变频水泵进行组合，同时考虑不同工况下水泵的运行情况，从而使水泵组在不同工况下都能高效运行，降低了水泵的综合成本。在对冷却塔设计优化时，考虑了冷却塔的运行工况变化，这些工况变化既包括冷却塔热负荷的变化，也包括外界气象条件的变化，从而在降低系统设计成本的同时也降低了系统的运行成本。
　　3.针对循环冷却水系统的优化设计问题，给出了更具一般意义的循环冷却水系统超结构，其中包括由定频泵和变频泵组成的水泵组、由多个冷却塔组成的冷却塔组以及由换热器以不同连接方式构成的换热器网络，基于上述超结构，建立了用于对整个系统进行设计的优化模型，并且在系统设计优化时考虑其以后的运行情况。
　　4.循环冷却水系统整体设计优化模型是一个大型的、复杂的、非凸的混合整数非线性规划模型，针对该模型求解困难的问题，提出将该模型首先按照所对应的实际设备划分为多个子系统设计优化模型，然后按照协同优化的思想构造系统级优化器以及子系统级优化器，子优化器之间的协调由系统级优化器来完成，从而在降低求解难度的同时找到更优的解。
　　5.在循环冷却水系统机理模型、设计优化模型以及优化方法研究的基础上，结合数据库技术、接口技术及Matlab语言编程等关键技术，开发了一套循环冷却水系统优化设计软件，该软件界面友好、操作方便，能够实现对循环冷却水系统的高效设计，对缩短循环冷却水系统设计周期，找到更优的系统结构和设备参数，从而实现节能节水具有重要意义。