一、免費制冷是什么？

　　冷卻塔供冷通常有兩種方式，分為直接供冷與間接供冷。

　　直接供冷方式采用冷卻塔冷水直接供應(yīng)到用冷側(cè)，由于大部分項目采用的冷卻塔是開式冷卻塔，冷水中污垢、雜質(zhì)比較多，容易對用冷側(cè)末端產(chǎn)生污染，所以較少采用，通常采用的方式是間接制冷方式（參見圖 1），也是本文主要討論的供冷方式，也稱為免費制冷。

　　冷卻塔間接式供冷方式，即在常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)中增設(shè)板式換熱器，利用板式換熱器冷卻水和冷凍水進行熱交換，在過渡季室外空氣溫度比較低的情況下采用冷卻塔散熱，生產(chǎn)出水溫較低的冷卻水，通過板式換熱器給冷凍水降溫，達到供冷的目的。

　　從圖 1 可以看出，板式換熱器的位置類似于系統(tǒng)的第三臺冷水機組，在特定條件下使用可以替代制冷機組，但是這種方式的制約條件比較多，從而限制了它在某些情況下的使用。

　　通過以上描述的情況，可以看出免費制冷的換熱過程，存在以下溫度情況：即：室外空氣作為冷源，溫度有以下梯度：冷凍水出水溫度（1）> 冷卻水下塔溫度（2）> 室外濕球溫度（3）通常情況下，由于板式換熱器設(shè)備參數(shù)及冷卻塔設(shè)備的不同、負荷的不同，其中 1,2 間的溫差不同，基本在 1~3 ℃之間，其中 2，3 間的溫差基本在 3~6 ℃之間。

　　另外，對于免費制冷選型的2點說明：

　　冷卻塔在冬季制冷時，由于水分子蒸發(fā)活動降低，冷卻塔制冷量相對于夏季的情況有很大的衰減，需要有較好的選型軟件進行選型；

　　冷卻塔和板式換熱器的設(shè)備具體參數(shù)（如制冷量、板式換熱器兩側(cè)的冷凍水 / 冷卻水進出水溫度）應(yīng)以具體的實際要求選型決定。

　　二、免費制冷的需求和供應(yīng)時間

　　在很多情況下，冷卻塔供冷是作為常規(guī)制冷系統(tǒng)的補充和節(jié)能手段。通常在室外溫度降低到一定程度，冷凍水水溫能夠滿足制冷需求的情況下，開始逐步代替常規(guī)制冷進行制冷。

　　根據(jù)上文的計算，如果需要提供 10 ℃的冷凍水的話（本文只做定性的闡述，暫不涉及具體設(shè)備容量問題），以北京為例，室外溫度基本上要在 12 ℃以下。對于舒適性空調(diào)系統(tǒng)來說，通常水溫達到 12~13 ℃以上，末端設(shè)備的制冷效果就會大打折扣，基本上不能夠滿足舒適性的需求。對于空氣處理末端設(shè)備，通常的設(shè)計參數(shù)為冷凍水進水 7 ℃，出水 12 ℃，送風(fēng)溫度為 16~18 ℃，或者更低。而此時的室外溫度（按照上述情況類推）在 15 ℃左右，室外空氣完全可以作為冷源，使用新風(fēng)直接供冷將是更好的選擇，而且近幾年的很多新建大廈，特別是使用 VAV 系統(tǒng)的大廈，均在設(shè)計方案書已經(jīng)擴大了新風(fēng)量，以便于使用新風(fēng)供冷。而在此溫度之上（對于北京室外溫度在 15 ℃以上），冷卻塔供冷無法達到供冷水溫度需求。

　　由此可見，對于免費制冷，在室外溫度低于一定溫度下的過渡季（指春秋季）和冬季可以使用，冬季是最佳季節(jié)。其中冷水的需求溫度是關(guān)鍵因素，直接影響免費這冷的使用時間長短，冷水溫度需要越低，使用時間越短。另外，如果設(shè)備選型也有一定影響，如果設(shè)備容量大，換熱溫差小也會對使用有利，可以增加使用時間。

　　三、免費制冷的使用場合

　　3.1 免費制冷使用在工業(yè)用途及數(shù)據(jù)中心

　　免費制冷作為工業(yè)中工藝冷卻水的冷源，在冬季使用無疑是最好的選擇，冬季采用冷卻塔供冷可以完全或部分取代冷水機組，減少電制冷開機，可以大幅降低系統(tǒng)的能耗。這種應(yīng)用已經(jīng)廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用當(dāng)中。

　　但對于過渡季供冷，在使用時則需要充分考慮冷量的需求及冷水溫度的要求，而且，對于常年不間斷供冷的恒溫工藝制冷需求，冷卻塔供冷和電制冷之間的切換非常重要，由于兩種制冷所需的冷卻水溫度不同，而且溫度差別較大，切換需要有良好的設(shè)備和控制系統(tǒng)準備，避免由于切換不當(dāng)造成系統(tǒng)的供冷中斷。如：免費制冷和常規(guī)制冷有兩套管路和冷卻塔系統(tǒng)，則可以在兩種工況下運行，即免費制冷系統(tǒng)冷卻水為 10 ℃左右，而常規(guī)制冷的冷卻水系統(tǒng)在 30 ℃左右。而且良好的自動控制設(shè)備也是成功的關(guān)鍵。

　　3.2 免費制冷使用有四管制的高檔酒店空調(diào)系統(tǒng)

　　為了提供更好更舒適的空調(diào)環(huán)境，很多高檔酒店的中央空調(diào)水系統(tǒng)采用四管制系統(tǒng)；

　?。?）客房：采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)；

　　（2）大堂和功能廳等采用全空氣系統(tǒng)，一年四季同時供應(yīng)冷熱水。

　?。?）對于酒店內(nèi)區(qū)的餐飲、多功能廳等，室內(nèi)空間較大，冬季較熱，四管制系統(tǒng)的冷熱水可以很好達到舒適系統(tǒng)要求，同時也需要免費制冷系統(tǒng)進行冬季制冷。

　　但酒店的冬季和過渡季對冷水的需求量并不大，以北京某五星級酒店（該酒店已運行 20 余年）為例，通常使用時間為每年 11 月 ~3 月（氣溫在 10 ℃以下），由于冬季沒有除濕需求，使用時對于冷水溫度的要求也并不高，通常在 12 ℃左右，有時達到 13~14 ℃。由于新風(fēng)管路較小，不能采用新風(fēng)供冷，全空氣系統(tǒng)也可以使用免費制冷冷源。對于該酒店，部分區(qū)域特別是內(nèi)區(qū)和部分客房，新風(fēng)量不足以提供制冷需求，冬季采用冷卻塔供冷是一個不錯的選擇。當(dāng)如果新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計管路足夠，全空氣系統(tǒng)完全可以采用新風(fēng)作為冷源，免費制冷值作為客房風(fēng)機盤管的冷源使用。不過這種應(yīng)用也存在過渡季問題，即在過度季時，室外溫度提高，無法采用免費制冷。因此，綜合冬季制冷的用冷時間，如果需求量時間較少，也可以不使用。

　　3.3 免費制冷使用在辦公樓的舒適性空調(diào)系統(tǒng)

　　在辦公樓的中央空調(diào)冷水系統(tǒng)中，對于冬季制冷、過渡季供冷的需求還是有一些的。在冬季和春秋季，由于南北向日照的不同，夕曬問題，同一層辦公樓內(nèi)溫度差異會非常大，有時候北區(qū)需要供暖，而西南角又非常熱。但是，辦公樓使用的空調(diào)系統(tǒng)也對冷卻塔供冷有一些限制。辦公樓的單層面積通常在 1 500~2 000 m2左右，內(nèi)區(qū)、外區(qū)的區(qū)分并不明顯；但在有些樓宇由于單層面積較大，進深較大時，有時會在冬季對內(nèi)區(qū)進行供冷，外區(qū)供暖。這種情況并不多見，這樣的設(shè)計需要有內(nèi)外區(qū)不同的管路設(shè)計，采用四管制水系統(tǒng)，據(jù)筆者走訪項目情況。

　　在實際操作中，在冬季，內(nèi)區(qū)過熱的情況較少，供冷的需求并不明顯，因此一般的項目均沒有冬季供冷；而在過渡季，即在大廈停止供暖后，由于室外溫度上升，陽光的照射，辦公樓宇開窗較少，特別在午間，制冷有一定的需求。但開啟制冷機組，開啟時間又短，冷負荷較低，特別對于螺桿式冷水機組，冷卻水溫較低會造成機組故障，免費制冷被提上日程，很多項目均有這種設(shè)計，但實際運行情況，需要我們仔細研究。

　　3.3.1 采用風(fēng)機盤管 + 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的辦公樓

　　對于辦公樓，風(fēng)機盤管 + 新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，是一種非常常見的中央空調(diào)系統(tǒng)。采用這種方式的項目，大多數(shù)水系統(tǒng)使用的是兩管制設(shè)備。

　　在冬季只能供暖；在過渡季，通常會有冷熱不均（南側(cè)和北側(cè)），很難滿足同時冷熱需求，無法采用免費制冷的方式供冷。采用四管制風(fēng)機盤管系統(tǒng)的大廈非常少，不過根據(jù)上述分析（特別對于北京），冬季供冷可以利用免費制冷供冷，但對于過渡季，室外溫度高的情況下，免費制冷也達不到制冷需求，過渡季使用時間非常有限。

　　不過，使用四管制風(fēng)機盤管系統(tǒng)可以同時滿足冷熱需求，可以提高舒適度，同時使用免費制冷可以有效降低供冷的能耗。通過上述分析，如果僅在過渡季有制冷需求的情況，由于供水溫度的限制，建議不配置免費供冷設(shè)備，如果有冬季供冷的需求可以配置，特別是對于四管制系統(tǒng)。

　　3.3.2 采用 VAV 系統(tǒng)的辦公樓

　　VAV 系統(tǒng)是一個全空氣系統(tǒng)，其特點是能夠很好地利用新風(fēng)。在冬季和過渡季時，利用新風(fēng)供冷是一個較為簡潔，而且更為節(jié)能的方式。而且對于現(xiàn)在的大部分建筑，設(shè)計新風(fēng)量較大，在管路、控制等方面都有較高的配置，可以達到良好的送風(fēng)效果。而且，利用新風(fēng)簡潔高效，比通過免費制冷模式增加了多次換熱，而且還有水泵功率的消耗要節(jié)能的多。

　　VAV 系統(tǒng)在過渡季通常也存在上述的水溫達不到要求的問題，過渡季時供冷，配置一臺小型的制冷機組是一種比較可行的方式，而在室外溫度較低時，可以充分利用新風(fēng)，對于 VAV 空調(diào)系統(tǒng)建議不配置免費制冷系統(tǒng)。此類建筑建議不配置冷卻塔供冷設(shè)備。在 VAV 系統(tǒng)中，同樣不建議使用四管制系統(tǒng)。對于樓層 VAV 的空氣處理機組，通常情況下都是送風(fēng)溫度比較低，而在外區(qū)的 VAV 增加加熱盤管，冬季加熱（可以獨立調(diào)節(jié)），因此送風(fēng)的溫度是一致的，外區(qū)根據(jù)溫度調(diào)節(jié)。整個大廈系統(tǒng)基本是一致的，不會根據(jù)情況調(diào)節(jié)使用冷水、或熱水盤管，因此四管制也就失去了意義。

　　3.4 免費制冷使用在購物中心的舒適性空調(diào)系統(tǒng)

　　購物中心通常體量較大，而且單層面積大，上面樓層的中間區(qū)域在冬夏都會比較熱。而且由于現(xiàn)在購物中心通常在高樓層設(shè)置餐廳較多，餐廳的排煙風(fēng)量很大，造成此區(qū)域通常為負壓，空氣流動較快，實際運行當(dāng)中并沒有特別熱，而且筆者實際勘查的一個項目，在冬季和過渡季時，高樓層供暖量很少（采用空氣處理機組供暖，基本不供暖），此區(qū)域溫度尚可。

　　購物中心中采用設(shè)計方式較多的是：商鋪區(qū)域采用風(fēng)機盤管機組或吊頂式空調(diào)機組（類似于大型得風(fēng)機盤管），公共區(qū)域采用集中式全空氣空調(diào)機組。

　　對于內(nèi)區(qū)和小商鋪，冬季和是有一定的的供冷需求的，實際上可以采用四管制系統(tǒng) + 免費制冷來實現(xiàn)；過渡季制冷也會遇到上述的水溫達不到要求的問題，可以開啟制冷機組來實現(xiàn)。但在實際運行當(dāng)中，有購物中心中設(shè)計了四管制系統(tǒng)和免費制冷，卻并沒有使用。

　　其原因在于，現(xiàn)在大部分購物中心的中庭都是挑空的，煙囪效應(yīng)明顯，而且餐飲較多，造成排風(fēng)較多，從大門等的滲入未處理新風(fēng)較多，已經(jīng)降低了內(nèi)區(qū)的溫度，已經(jīng)基本能夠滿足要求，不過一層的門口較冷，通常很難處理。因此，此類建筑建議可以配置免費制冷設(shè)備。

　　四、免費制冷的實際應(yīng)用

　　在近些年的項目中，設(shè)計之初普遍會采用免費制冷的設(shè)計，已經(jīng)成了一種節(jié)能方式的應(yīng)用。但就很多項目的實際觀察，雖然有免費制冷的設(shè)備及管路，但實際應(yīng)用情況參差不齊，現(xiàn)就幾種案例闡述如下。

　　案例一：北京某五星級酒店 

　　該酒店空調(diào)系統(tǒng)為中央空調(diào)冷熱水四管制系統(tǒng)，客房為風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，大堂及多功能廳等為四管制全空氣系統(tǒng)。為了達到舒適度，一年四季提供冷熱水供應(yīng)，原設(shè)計設(shè)計冬季和過渡季制冷采用離心式冷水機組供冷，于 2003 年增加免費制冷供冷設(shè)備，之后冬季、過渡季一直采用板換冷卻塔供冷。冬季供冷使用情況時較好，供冷水溫一般在 10~12 ℃左右，但在過渡季水溫較高，一般可以使用到 3 月初。

　　但該項目分析的幾個問題：

　　1）經(jīng)濟性：冬季時冷負荷較低，如采用離心式冷水機組制冷時，機組負荷在 50 % 以下，高峰時機組用電量在 150 kW 左右，冷卻塔基本可以不開；在使免費制冷時，冷卻塔風(fēng)機開啟量較大，通常有 30 kW 左右，由于酒店是 24 h 開啟，經(jīng)濟性較好。

　　2）水溫控制：采用離心機組水溫易于控制。

　　3）結(jié)冰問題：這個問題造成了很大的困擾，采用離心制冷時，冷卻水的溫度較高（通?？刂圃?28 ℃左右），結(jié)冰量較少；采用免費制冷方式供冷時，結(jié)冰量較大，因此采用了很多手段，需要定期檢查和除冰，值班人員的工作量較大。

　　案例二：某化學(xué)工廠 

　　該工廠由于工藝冷卻水要求，需要一年四季供冷，但冬季和過渡季制冷需求較??；之前常年采用螺桿式冷水機組供冷，后改造增加板式換熱器及控制系統(tǒng)，冬季采用免費制冷供冷。每年冷水機組減少了 4~5 個月的運行，供冷使用情況較好，經(jīng)濟性較好，而且減小了冷水機組損耗，免費制冷也較冷機易于控制。這個案例的使用方式免費制冷最佳的使用方式。

　　案例三：多個考察案例 

　　筆者考察過多個寫字樓及購物中心項目，大部分的板換制冷裝置從未使用過。

　?。?）北京某高檔寫字樓，采用 VAV 全空氣系統(tǒng)，設(shè)計有免費制冷板式換熱器系統(tǒng)，在多年使用中從未開啟。與近幾年拆除了該設(shè)備，增加了一臺小型制冷機組作為過渡季制冷使用。

　?。?）另有多個寫字樓案例，免費制冷設(shè)備均未使用過。

　?。?）購物中心項目案例，采用四管制空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計采用免費制冷系統(tǒng)，但該設(shè)備使用很少，只在春季使用 2周左右。

　　五、免費制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性

　　免費制冷系統(tǒng)包括：板式換熱器機組、管路閥門、電動調(diào)節(jié)閥門、防凍保護（主要是室外冷卻水管路及冷卻塔）及控制系統(tǒng)等，管路系統(tǒng)較為簡單。設(shè)備的大小取決于系統(tǒng)制冷量的需求，一般情況下，除了數(shù)據(jù)中心和工藝空調(diào)的負荷較為恒定外，其他應(yīng)用方式，對于免費制冷的冷量需求較小。整體加裝費用對于整個冷水機房系統(tǒng)來說，比例較低。

　　但是如果將此部分應(yīng)用使用效果不佳，這部分的費用完全可以作為制冷機房系統(tǒng)的整體控制或者控制系統(tǒng)的提升使用，一個優(yōu)秀的控制系統(tǒng)對于日后操控、對于系統(tǒng)節(jié)能將起到至關(guān)重要的作用。免費制冷系統(tǒng)也需要占用一定的機房面積，對于現(xiàn)在設(shè)備機房緊張，資金緊張的情況，需要認真對待，避免造成不必要的浪費。