典型夏季工况的压缩式制冷空调系统中，7℃冷冻水经过空调末端设备热交换吸收负荷侧的热量后冷冻水温升至12℃，并在冷水机组蒸发器中将热量传递给制冷剂；同时制冷剂受热气化后在压缩机中被做功压缩成高压高温气体后经过冷凝器与29℃的冷却水进行热交换，冷却水带走冷凝器中制冷剂热量后温升至35℃，最终在冷却水塔内将热量传给外界空气后形成温降。图中，冷却水流量为3加仑每分钟每冷顿（0.182 升每秒冷顿），冷冻水流量为2.4加仑每分钟每冷顿（0.227升每秒冷顿）。值得注意的是，冷却水流量和冷冻水流量之间的差别反映了冷却水与大气的换热量超过冷冻水在负荷侧吸收的热量，这是因为压缩机的压缩做功工况产生的额外热量需要向外界传递；所以冷却水塔必须带走125%的负荷侧热量。
压缩式制冷空调系统中冷却水塔出水温度和外界湿球温度、负荷之间的关系。从图中可以清楚地看出，随着室外环境湿球温度下降或者室内负荷下降，冷却水塔出水温度也相应下降。特别是过渡季节和冬季，当室外环境湿球温度足够低的条件下，冷却水塔出水温度可以满足空调系统的制冷需求；也就是说在这个时期，当空调系统配备有适当管路系统，空调末端设备就可以直接使用冷却水塔出水处理室内负荷，而不必启动冷水机组压缩机，节约了压缩机和冷冻水泵等的运行费用，这就是所谓的冷却水塔免费制冷的概念。
考虑到负荷实际情况和冷水温度要求，从图2可以看出室外湿球温度必须小于10℃，冷却水塔免费制冷才能得到应用。因此冷却水塔免费制冷的应用极大受制于外界环境条件。在北纬地区，年平均温度变化明显，所以冷却水塔免费制冷的时间可能占全年运行时间的75%。相反，在低纬度的南部气候条件下，在湿球温度的限制下，冷却水塔免费制冷的利用时间仅为全年运行时间的20%。同样室内负荷的变化也将影响冷却水塔免费制冷的利用，图2 中当室内负荷下降50%时（典型的过渡季节舒适性空调工），冷却水塔免费制冷模式下所利用的冷却水塔出水温度将高于全负荷工况下的冷却水塔出水温度10℃；也就是说室内负荷越小，冷却水塔免费制冷适用条件越宽。从地理条件出发，这一因素将使得冷却水塔免费制冷的全年使用时间上升500 小时至2000 小时。
通常冷却水塔免费制冷模式分为两类：直接免费制冷和间接免费制冷
直接免费制冷
直接免费制冷是最简单、热效率最高的形式，然而也是最不宜推广的形式。如图3 所示：直接免费制冷系统通过一个简单的旁通管路连接冷凝器和蒸发器水系统，将冷却水塔和系统负荷衔接起来。图中的虚线表明冷却水塔免费制冷冷却水运行线路。
由于直接免费制冷两套水系统中未设置热交换器，冷却水塔的性能直接影响室内负荷。显然两套水系统循环水泵中的只有一套能够运行，一般情况下，往往使用冷却水泵组。这样就确保了冷却水塔运行的扬程和流量，维持在设计工况袁因此也保证了其运行效率。
假设负荷维持不变，冷却水塔出水温度为14℃是可接受的，此时12000 BTU/hr/ton 下的冷水温升为4℃，所以冷却水塔进水温度为18℃。分析图2，可以发现在美国堪萨斯地区，室内全负荷条件下，冷却水塔出水温度为14℃的外界湿球温度为5℃，全年大约有3475小时能够提供冷却水塔免费制冷模式。室内半负荷条件下，冷却水塔出水温度为14℃的外界湿球温度为9.5℃，全年大约有4570小时能够提供冷却水塔免费制冷模式。该例说明了室内负荷与冷却水塔免费制冷适用条件之间的反比关式水系统连通，掺混后水系统中水质问题会对运行造成影响，所以应用直接免费制冷模式时，必须安装特殊过滤装置防止水垢生成。
间接免费制冷
间接免费制冷系统通过安装简单的热交换器，管路平行连接旁通冷水机组（见图4），得以实现冷却水塔免费制冷而不受水系统水质问题影响。鉴于水系统的较小温差和压力，可以选用板式热交换器，因为板式热交换器能够在小温差下正常热交换。如图4，全负荷工况免费制冷模式下，负荷侧温差为10℃，冷却水塔侧温差为8℃，这是由于两套水系统间流量的差异造成的。然而假设热交换器的传热温差2℃，则冷却水塔需要产生12℃的冷却水，才能保证负荷侧的14℃的冷冻水。在此情况下，全负荷下，冷却水塔免费制冷全年运行时间为2670 小时。半负荷下，冷却水塔免费制冷全年运行时间为4025小时。
如果选用更加昂贵的2 华氏温度差的热交换器，半负荷、全负荷下冷却水塔免费制冷的运行时间将分别增加275小时和400 小时。同时也应考虑热交换器的压降，冷却水塔侧热交换器的压降不能高于冷凝器的压降，否则冷却水塔的水流量将减少，运行效率将下降。所以，选择热交换器应同时考虑压力和温度要求。
相对于直接免费制冷，间接免费制冷最显著的优点是运行中大量减少了冷水机组的清洁和维护内容。
推广应用冷却水塔免费制冷的根本目的是利用冷却水塔延长空调系统运行时间，在停用冷水机组压缩机情况下，控制室内发热负荷，减少运行成本。因此在许多地区过渡季节和冬季，如果当地水源条件允许情况下，针对建筑内区发热负荷特点，均可以采用冷却水塔免费制冷，以维持室内舒适性。当然也要综合评价冷却水塔免费制冷的设备投资与节能潜力，选择合理的解决方案。
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