什么是冷卻塔免費制冷？

　　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到用冷側，由于大部分項目采用的冷卻塔是開式冷卻塔，冷水中污垢、雜質比較多，容易對用冷側末端產生污染，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，即在常規空調水系統中增設板式換熱器，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，由于板式換熱器設備參數及冷卻塔設備的不同、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備具體參數（如制冷量、板式換熱器兩側的冷凍水 / 冷卻水進出水溫度）應以具體的實際要求選型決定。

　　二、免費制冷的需求和供應時間

　　在很多情況下，冷卻塔供冷是作為常規制冷系統的補充和節能手段。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，開始逐步代替常規制冷進行制冷。

　　根據上文的計算，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。對于舒適性空調系統來說，通常水溫達到 12~13 ℃以上，末端設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備，通常的設計參數為冷凍水進水 7 ℃，出水 12 ℃，送風溫度為 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 系統的大廈，均在設計方案書已經擴大了新風量，以便于使用新風供冷。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。其中冷水的需求溫度是關鍵因素，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，如果設備選型也有一定影響，如果設備容量大，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用途及數據中心

　　免費制冷作為工業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，可以大幅降低系統的能耗。這種應用已經廣泛的應用，特別是在數據中心應用當中。

　　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備和控制系統準備，避免由于切換不當造成系統的供冷中斷。如：免費制冷和常規制冷有兩套管路和冷卻塔系統，則可以在兩種工況下運行，即免費制冷系統冷卻水為 10 ℃左右，而常規制冷的冷卻水系統在 30 ℃左右。而且良好的自動控制設備也是成功的關鍵。

　　3.2 免費制冷使用有四管制的高檔酒店空調系統

　　為了提供更好更舒適的空調環境，很多高檔酒店的中央空調水系統采用四管制系統；

　　（1）客房：采用風機盤管加新風系統；

　　（2）大堂和功能廳等采用全空氣系統，一年四季同時供應冷熱水。

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

　　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 ℃。由于新風管路較小，不能采用新風供冷，全空氣系統也可以使用免費制冷冷源。對于該酒店，部分區域特別是內區和部分客房，新風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。當如果新風系統設計管路足夠，全空氣系統完全可以采用新風作為冷源，免費制冷值作為客房風機盤管的冷源使用。不過這種應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系統

　　在辦公樓的中央空調冷水系統中，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，同一層辦公樓內溫度差異會非常大，有時候北區需要供暖，而西南角又非常熱。但是，辦公樓使用的空調系統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，內區、外區的區分并不明顯；但在有些樓宇由于單層面積較大，進深較大時，有時會在冬季對內區進行供冷，外區供暖。這種情況并不多見，這樣的設計需要有內外區不同的管路設計，采用四管制水系統，據筆者走訪項目情況。

　　在實際操作中，在冬季，內區過熱的情況較少，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計，但實際運行情況，需要我們仔細研究。

　　3.3.1 采用風機盤管 + 新風空調系統的辦公樓

　　對于辦公樓，風機盤管 + 新風空調系統，是一種非常常見的中央空調系統。采用這種方式的項目，大多數水系統使用的是兩管制設備。

　　在冬季只能供暖；在過渡季，通常會有冷熱不均（南側和北側），很難滿足同時冷熱需求，無法采用免費制冷的方式供冷。采用四管制風機盤管系統的大廈非常少，不過根據上述分析（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，使用四管制風機盤管系統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。

　　3.3.2 采用 VAV 系統的辦公樓

　　VAV 系統是一個全空氣系統，其特點是能夠很好地利用新風。在冬季和過渡季時，利用新風供冷是一個較為簡潔，而且更為節能的方式。而且對于現在的大部分建筑，設計新風量較大，在管路、控制等方面都有較高的配置，可以達到良好的送風效果。而且，利用新風簡潔高效，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能的多。

　　VAV 系統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，對于 VAV 空調系統建議不配置免費制冷系統。此類建筑建議不配置冷卻塔供冷設備。在 VAV 系統中，同樣不建議使用四管制系統。對于樓層 VAV 的空氣處理機組，通常情況下都是送風溫度比較低，而在外區的 VAV 增加加熱盤管，冬季加熱（可以獨立調節），因此送風的溫度是一致的，外區根據溫度調節。整個大廈系統基本是一致的，不會根據情況調節使用冷水、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系統

　　購物中心通常體量較大，而且單層面積大，上面樓層的中間區域在冬夏都會比較熱。而且由于現在購物中心通常在高樓層設置餐廳較多，餐廳的排煙風量很大，造成此區域通常為負壓，空氣流動較快，實際運行當中并沒有特別熱，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），此區域溫度尚可。

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

　　對于內區和小商鋪，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 + 免費制冷來實現；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。但在實際運行當中，有購物中心中設計了四管制系統和免費制冷，卻并沒有使用。

　　其原因在于，現在大部分購物中心的中庭都是挑空的，煙囪效應明顯，而且餐飲較多，造成排風較多，從大門等的滲入未處理新風較多，已經降低了內區的溫度，已經基本能夠滿足要求，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備。

　　四、免費制冷的實際應用

　　在近些年的項目中，設計之初普遍會采用免費制冷的設計，已經成了一種節能方式的應用。但就很多項目的實際觀察，雖然有免費制冷的設備及管路，但實際應用情況參差不齊，現就幾種案例闡述如下。

　　案例一：北京某五星級酒店 

　　該酒店空調系統為中央空調冷熱水四管制系統，客房為風機盤管加新風系統，大堂及多功能廳等為四管制全空氣系統。為了達到舒適度，一年四季提供冷熱水供應，原設計設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，冷卻塔風機開啟量較大，通常有 30 kW 左右，由于酒店是 24 h 開啟，經濟性較好。

　　2）水溫控制：采用離心機組水溫易于控制。

　　3）結冰問題：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（通常控制在 28 ℃左右），結冰量較少；采用免費制冷方式供冷時，結冰量較大，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小；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，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。

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

　　（2）另有多個寫字樓案例，免費制冷設備均未使用過。

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

　　五、免費制冷系統的經濟性

　　免費制冷系統包括：板式換熱器機組、管路閥門、電動調節閥門、防凍保護（主要是室外冷卻水管路及冷卻塔）及控制系統等，管路系統較為簡單。設備的大小取決于系統制冷量的需求，一般情況下，除了數據中心和工藝空調的負荷較為恒定外，其他應用方式，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來說，比例較低。

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