“免费制冷”是个什么鬼？哪些场景下适用？

随着节能的需求不断提高，中央空调系统中的节能方法越来越多地应用。采用冷却塔板式换热器供冷（后续称为免费制冷）这种方式的项目越来越多。但对于免费制冷这种方式，并不是所有场景下都适用，特别是写字楼和商场。

一、免费制冷是什么？

冷却塔供冷通常有两种方式，分为直接供冷与间接供冷。

直接供冷方式采用冷却塔冷水直接供应到用冷侧，由于大部分项目采用的冷却塔是开式冷却塔，冷水中污垢、杂质比较多，容易对用冷侧末端产生污染，所以较少采用，通常采用的方式是间接制冷方式（参见图 1 ），也是本文主要讨论的供冷方式，也称为免费制冷。

冷却塔间接式供冷方式，即在常规空调水系统中增设板式换热器，利用板式换热器冷却水和冷冻水进行热交换，在过渡季室外空气温度比较低的情况下采用冷却塔散热，生产出水温较低的冷却水，通过板式换热器给冷冻水降温，达到供冷的目的。

从图 1 可以看出，板式换热器的位置类似于系统的第三台冷水机组，在特定条件下使用可以替代制冷机组，但是这种方式的制约条件比较多，从而限制了它在某些情况下的使用。

通过以上描述的情况，可以看出免费制冷的换热过程，存在以下温度情况：即：室外空气作为冷源，温度有以下梯度：冷冻水出水温度（ 1 ） > 冷却水下塔温度（ 2 ） > 室外湿球温度（ 3 ）通常情况下，由于板式换热器设备参数及冷却塔设备的不同、负荷的不同，其中 1,2 间的温差不同，基本在 1~3 ℃之间，其中 2 ， 3 间的温差基本在 3~6 ℃之间。

另外，对于免费制冷选型的 2 点说明：

冷却塔在冬季制冷时，由于水分子蒸发活动降低，冷却塔制冷量相对于夏季的情况有很大的衰减，需要有较好的选型软件进行选型；

冷却塔和板式换热器的设备具体参数（如制冷量、板式换热器两侧的冷冻水 / 冷却水进出水温度）应以具体的实际要求选型决定。

二、免费制冷的需求和供应时间

在很多情况下，冷却塔供冷是作为常规制冷系统的补充和节能手段。通常在室外温度降低到一定程度，冷冻水水温能够满足制冷需求的情况下，开始逐步代替常规制冷进行制冷。

根据上文的计算，如果需要提供 10 ℃的冷冻水的话（本文只做定性的阐述，暂不涉及具体设备容量问题），以北京为例，室外温度基本上要在 12 ℃以下。对于舒适性空调系统来说，通常水温达到 12~13 ℃以上，末端设备的制冷效果就会大打折扣，基本上不能够满足舒适性的需求。对于空气处理末端设备，通常的设计参数为冷冻水进水 7 ℃，出水 12 ℃，送风温度为 16~18 ℃，或者更低。而此时的室外温度（按照上述情况类推）在 15 ℃左右，室外空气完全可以作为冷源，使用新风直接供冷将是更好的选择，而且近几年的很多新建大厦，特别是使用 VAV 系统的大厦，均在设计方案书已经扩大了新风量，以便于使用新风供冷。而在此温度之上（对于北京室外温度在 15 ℃以上），冷却塔供冷无法达到供冷水温度需求。

由此可见， 对于免费制冷，在室外温度低于一定温度下的过渡季（指春秋季）和冬季可以使用，冬季是最佳季节。 其中冷水的需求温度是关键因素，直接影响免费这冷的使用时间长短，冷水温度需要越低，使用时间越短。另外，如果设备选型也有一定影响，如果设备容量大，换热温差小也会对使用有利，可以增加使用时间。

三、免费制冷的使用场合

3.1 免费制冷使用在工业用途及数据中心

免费制冷作为工业中工艺冷却水的冷源，在冬季使用无疑是最好的选择，冬季采用冷却塔供冷可以完全或部分取代冷水机组，减少电制冷开机，可以大幅降低系统的能耗。这种应用已经广泛的应用，特别是在数据中心应用当中。

但对于过渡季供冷，在使用时则需要充分考虑冷量的需求及冷水温度的要求，而且，对于常年不间断供冷的恒温工艺制冷需求，冷却塔供冷和电制冷之间的切换非常重要，由于两种制冷所需的冷却水温度不同，而且温度差别较大，切换需要有良好的设备和控制系统准备，避免由于切换不当造成系统的供冷中断。如：免费制冷和常规制冷有两套管路和冷却塔系统，则可以在两种工况下运行，即免费制冷系统冷却水为 10 ℃左右，而常规制冷的冷却水系统在 30 ℃左右。而且良好的自动控制设备也是成功的关键。

3.2 免费制冷使用有四管制的高档酒店空调系统

为了提供更好更舒适的空调环境，很多高档酒店的中央空调水系统采用四管制系统；

（ 1 ）客房：采用风机盘管加新风系统；

（ 2 ）大堂和功能厅等采用全空气系统，一年四季同时供应冷热水。

（ 3 ）对于酒店内区的餐饮、多功能厅等，室内空间较大，冬季较热，四管制系统的冷热水可以很好达到舒适系统要求，同时也需要免费制冷系统进行冬季制冷。

但酒店的冬季和过渡季对冷水的需求量并不大，以北京某五星级酒店（该酒店已运行 20 余年）为例，通常使用时间为每年 11 月 ~3 月（气温在 10 ℃以下），由于冬季没有除湿需求，使用时对于冷水温度的要求也并不高，通常在 12 ℃左右，有时达到 13~14 ℃。由于新风管路较小，不能采用新风供冷，全空气系统也可以使用免费制冷冷源。对于该酒店，部分区域特别是内区和部分客房，新风量不足以提供制冷需求，冬季采用冷却塔供冷是一个不错的选择。当如果新风系统设计管路足够，全空气系统完全可以采用新风作为冷源，免费制冷值作为客房风机盘管的冷源使用。不过这种应用也存在过渡季问题，即在过度季时，室外温度提高，无法采用免费制冷。因此，综合冬季制冷的用冷时间，如果需求量时间较少，也可以不使用。

3.3 免费制冷使用在办公楼的舒适性空调系统

在办公楼的中央空调冷水系统中，对于冬季制冷、过渡季供冷的需求还是有一些的。在冬季和春秋季，由于南北向日照的不同，夕晒问题，同一层办公楼内温度差异会非常大，有时候北区需要供暖，而西南角又非常热。但是，办公楼使用的空调系统也对冷却塔供冷有一些限制。办公楼的单层面积通常在 1 500~2 000 m2 左右，内区、外区的区分并不明显；但在有些楼宇由于单层面积较大，进深较大时，有时会在冬季对内区进行供冷，外区供暖。这种情况并不多见，这样的设计需要有内外区不同的管路设计，采用四管制水系统，据笔者走访项目情况。

在实际操作中，在冬季，内区过热的情况较少，供冷的需求并不明显，因此一般的项目均没有冬季供冷； 而在过渡季，即在大厦停止供暖后，由于室外温度上升，阳光的照射，办公楼宇开窗较少，特别在午间，制冷有一定的需求。但开启制冷机组，开启时间又短，冷负荷较低，特别对于螺杆式冷水机组，冷却水温较低会造成机组故障，免费制冷被提上日程，很多项目均有这种设计，但实际运行情况，需要我们仔细研究。

3.3.1 采用风机盘管 + 新风空调系统的办公楼

对于办公楼，风机盘管 + 新风空调系统，是一种非常常见的中央空调系统。采用这种方式的项目，大多数水系统使用的是两管制设备。

在冬季只能供暖；在过渡季，通常会有冷热不均（南侧和北侧），很难满足同时冷热需求，无法采用免费制冷的方式供冷。采用四管制风机盘管系统的大厦非常少，不过根据上述分析（特别对于北京），冬季供冷可以利用免费制冷供冷，但对于过渡季，室外温度高的情况下，免费制冷也达不到制冷需求，过渡季使用时间非常有限。

不过，使用四管制风机盘管系统可以同时满足冷热需求，可以提高舒适度，同时使用免费制冷可以有效降低供冷的能耗。通过上述分析，如果仅在过渡季有制冷需求的情况，由于供水温度的限制，建议不配置免费供冷设备，如果有冬季供冷的需求可以配置，特别是对于四管制系统。

3.3.2 采用 VAV 系统的办公楼

VAV 系统是一个全空气系统，其特点是能够很好地利用新风。在冬季和过渡季时，利用新风供冷是一个较为简洁，而且更为节能的方式。而且对于现在的大部分建筑，设计新风量较大，在管路、控制等方面都有较高的配置，可以达到良好的送风效果。而且，利用新风简洁高效，比通过免费制冷模式增加了多次换热，而且还有水泵功率的消耗要节能的多。

VAV 系统在过渡季通常也存在上述的水温达不到要求的问题，过渡季时供冷，配置一台小型的制冷机组是一种比较可行的方式，而在室外温度较低时，可以充分利用新风，对于 VAV 空调系统建议不配置免费制冷系统。此类建筑建议不配置冷却塔供冷设备。在 VAV 系统中，同样不建议使用四管制系统。对于楼层 VAV 的空气处理机组，通常情况下都是送风温度比较低，而在外区的 VAV 增加加热盘管，冬季加热（可以独立调节），因此送风的温度是一致的，外区根据温度调节。整个大厦系统基本是一致的，不会根据情况调节使用冷水、或热水盘管，因此四管制也就失去了意义。

3.4 免费制冷使用在购物中心的舒适性空调系统

购物中心通常体量较大，而且单层面积大，上面楼层的中间区域在冬夏都会比较热。而且由于现在购物中心通常在高楼层设置餐厅较多，餐厅的排烟风量很大，造成此区域通常为负压，空气流动较快，实际运行当中并没有特别热，而且笔者实际勘查的一个项目，在冬季和过渡季时，高楼层供暖量很少（采用空气处理机组供暖，基本不供暖），此区域温度尚可。

购物中心中采用设计方式较多的是：商铺区域采用风机盘管机组或吊顶式空调机组（类似于大型得风机盘管），公共区域采用集中式全空气空调机组。

对于内区和小商铺，冬季和是有一定的的供冷需求的，实际上可以采用四管制系统 + 免费制冷来实现；过渡季制冷也会遇到上述的水温达不到要求的问题，可以开启制冷机组来实现。但在实际运行当中，有购物中心中设计了四管制系统和免费制冷，却并没有使用。

其原因在于，现在大部分购物中心的中庭都是挑空的，烟囱效应明显，而且餐饮较多，造成排风较多，从大门等的渗入未处理新风较多，已经降低了内区的温度，已经基本能够满足要求，不过一层的门口较冷，通常很难处理。因此，此类建筑建议可以配置免费制冷设备。

四、免费制冷的实际应用

在近些年的项目中，设计之初普遍会采用免费制冷的设计，已经成了一种节能方式的应用。但就很多项目的实际观察，虽然有免费制冷的设备及管路，但实际应用情况参差不齐，现就几种案例阐述如下。

案例一：北京某五星级酒店

该酒店空调系统为中央空调冷热水四管制系统，客房为风机盘管加新风系统，大堂及多功能厅等为四管制全空气系统。为了达到舒适度，一年四季提供冷热水供应，原设计设计冬季和过渡季制冷采用离心式冷水机组供冷，于 2003 年增加免费制冷供冷设备，之后冬季、过渡季一直采用板换冷却塔供冷。冬季供冷使用情况时较好，供冷水温一般在 10~12 ℃左右，但在过渡季水温较高，一般可以使用到 3 月初。

但该项目分析的几个问题：

1 ）经济性：冬季时冷负荷较低，如采用离心式冷水机组制冷时，机组负荷在 50 % 以下，高峰时机组用电量在 150 kW 左右，冷却塔基本可以不开；在使免费制冷时，冷却塔风机开启量较大，通常有 30 kW 左右，由于酒店是 24 h 开启，经济性较好。

2 ）水温控制：采用离心机组水温易于控制。

3 ）结冰问题：这个问题造成了很大的困扰，采用离心制冷时，冷却水的温度较高（通常控制在 28 ℃左右），结冰量较少；采用免费制冷方式供冷时，结冰量较大，因此采用了很多手段，需要定期检查和除冰，值班人员的工作量较大。

案例二：某化学工厂

该工厂由于工艺冷却水要求，需要一年四季供冷，但冬季和过渡季制冷需求较小；之前常年采用螺杆式冷水机组供冷，后改造增加板式换热器及控制系统，冬季采用免费制冷供冷。每年冷水机组减少了 4~5 个月的运行，供冷使用情况较好，经济性较好，而且减小了冷水机组损耗，免费制冷也较冷机易于控制。这个案例的使用方式免费制冷最佳的使用方式。

案例三：多个考察案例

笔者考察过多个写字楼及购物中心项目，大部分的板换制冷装置从未使用过。

（ 1 ）北京某高档写字楼，采用 VAV 全空气系统，设计有免费制冷板式换热器系统，在多年使用中从未开启。与近几年拆除了该设备，增加了一台小型制冷机组作为过渡季制冷使用。

（ 2 ）另有多个写字楼案例，免费制冷设备均未使用过。

（ 3 ）购物中心项目案例，采用四管制空调系统，设计采用免费制冷系统，但该设备使用很少，只在春季使用 2 周左右。

五、免费制冷系统的经济性

免费制冷系统包括：板式换热器机组、管路阀门、电动调节阀门、防冻保护（主要是室外冷却水管路及冷却塔）及控制系统等，管路系统较为简单。设备的大小取决于系统制冷量的需求，一般情况下，除了数据中心和工艺空调的负荷较为恒定外，其他应用方式，对于免费制冷的冷量需求较小。整体加装费用对于整个冷水机房系统来说，比例较低。

但是如果将此部分应用使用效果不佳，这部分的费用完全可以作为制冷机房系统的整体控制或者控制系统的提升使用，一个优秀的控制系统对于日后操控、对于系统节能将起到至关重要的作用。免费制冷系统也需要占用一定的机房面积，对于现在设备机房紧张，资金紧张的情况，需要认真对待，避免造成不必要的浪费。