典型夏季工況的壓縮式制冷空調系統中，7℃冷凍水經過空調末端設備熱交換吸收負荷側的熱量后冷凍水溫升至12℃，并在冷水機組蒸發器中將熱量傳遞給制冷劑；同時制冷劑受熱氣化后在壓縮機中被做功壓縮成高壓高溫氣體后經過冷凝器與29℃的冷卻水進行熱交換，冷卻水帶走冷凝器中制冷劑熱量后溫升至35℃，最終在冷卻水塔內將熱量傳給外界空氣后形成溫降。圖中，冷卻水流量為3加侖每分鐘每冷頓（0.182 升每秒冷頓），冷凍水流量為2.4加侖每分鐘每冷頓（0.227升每秒冷頓）。值得注意的是，冷卻水流量和冷凍水流量之間的差別反映了冷卻水與大氣的換熱量超過冷凍水在負荷側吸收的熱量，這是因為壓縮機的壓縮做功工況產生的額外熱量需要向外界傳遞；所以冷卻水塔必須帶走125%的負荷側熱量。
壓縮式制冷空調系統中冷卻水塔出水溫度和外界濕球溫度、負荷之間的關系。從圖中可以清楚地看出，隨著室外環境濕球溫度下降或者室內負荷下降，冷卻水塔出水溫度也相應下降。特別是過渡季節和冬季，當室外環境濕球溫度足夠低的條件下，冷卻水塔出水溫度可以滿足空調系統的制冷需求；也就是說在這個時期，當空調系統配備有適當管路系統，空調末端設備就可以直接使用冷卻水塔出水處理室內負荷，而不必啟動冷水機組壓縮機，節約了壓縮機和冷凍水泵等的運行費用，這就是所謂的冷卻水塔免費制冷的概念。
考慮到負荷實際情況和冷水溫度要求，從圖2可以看出室外濕球溫度必須小于10℃，冷卻水塔免費制冷才能得到應用。因此冷卻水塔免費制冷的應用極大受制于外界環境條件。在北緯地區，年平均溫度變化明顯，所以冷卻水塔免費制冷的時間可能占全年運行時間的75%。相反，在低緯度的南部氣候條件下，在濕球溫度的限制下，冷卻水塔免費制冷的利用時間僅為全年運行時間的20%。同樣室內負荷的變化也將影響冷卻水塔免費制冷的利用，圖2 中當室內負荷下降50%時（典型的過渡季節舒適性空調工），冷卻水塔免費制冷模式下所利用的冷卻水塔出水溫度將高于全負荷工況下的冷卻水塔出水溫度10℃；也就是說室內負荷越小，冷卻水塔免費制冷適用條件越寬。從地理條件出發，這一因素將使得冷卻水塔免費制冷的全年使用時間上升500 小時至2000 小時。
通常冷卻水塔免費制冷模式分為兩類：直接免費制冷和間接免費制冷
直接免費制冷
直接免費制冷是最簡單、熱效率最高的形式，然而也是最不宜推廣的形式。如圖3 所示：直接免費制冷系統通過一個簡單的旁通管路連接冷凝器和蒸發器水系統，將冷卻水塔和系統負荷銜接起來。圖中的虛線表明冷卻水塔免費制冷冷卻水運行線路。
由于直接免費制冷兩套水系統中未設置熱交換器，冷卻水塔的性能直接影響室內負荷。顯然兩套水系統循環水泵中的只有一套能夠運行，一般情況下，往往使用冷卻水泵組。這樣就確保了冷卻水塔運行的揚程和流量，維持在設計工況袁因此也保證了其運行效率。
假設負荷維持不變，冷卻水塔出水溫度為14℃是可接受的，此時12000 BTU/hr/ton 下的冷水溫升為4℃，所以冷卻水塔進水溫度為18℃。分析圖2，可以發現在美國堪薩斯地區，室內全負荷條件下，冷卻水塔出水溫度為14℃的外界濕球溫度為5℃，全年大約有3475小時能夠提供冷卻水塔免費制冷模式。室內半負荷條件下，冷卻水塔出水溫度為14℃的外界濕球溫度為9.5℃，全年大約有4570小時能夠提供冷卻水塔免費制冷模式。該例說明了室內負荷與冷卻水塔免費制冷適用條件之間的反比關式水系統連通，摻混后水系統中水質問題會對運行造成影響，所以應用直接免費制冷模式時，必須安裝特殊過濾裝置防止水垢生成。
間接免費制冷
間接免費制冷系統通過安裝簡單的熱交換器，管路平行連接旁通冷水機組（見圖4），得以實現冷卻水塔免費制冷而不受水系統水質問題影響。鑒于水系統的較小溫差和壓力，可以選用板式熱交換器，因為板式熱交換器能夠在小溫差下正常熱交換。如圖4，全負荷工況免費制冷模式下，負荷側溫差為10℃，冷卻水塔側溫差為8℃，這是由于兩套水系統間流量的差異造成的。然而假設熱交換器的傳熱溫差2℃，則冷卻水塔需要產生12℃的冷卻水，才能保證負荷側的14℃的冷凍水。在此情況下，全負荷下，冷卻水塔免費制冷全年運行時間為2670 小時。半負荷下，冷卻水塔免費制冷全年運行時間為4025小時。
如果選用更加昂貴的2 華氏溫度差的熱交換器，半負荷、全負荷下冷卻水塔免費制冷的運行時間將分別增加275小時和400 小時。同時也應考慮熱交換器的壓降，冷卻水塔側熱交換器的壓降不能高于冷凝器的壓降，否則冷卻水塔的水流量將減少，運行效率將下降。所以，選擇熱交換器應同時考慮壓力和溫度要求。
相對于直接免費制冷，間接免費制冷最顯著的優點是運行中大量減少了冷水機組的清潔和維護內容。
推廣應用冷卻水塔免費制冷的根本目的是利用冷卻水塔延長空調系統運行時間，在停用冷水機組壓縮機情況下，控制室內發熱負荷，減少運行成本。因此在許多地區過渡季節和冬季，如果當地水源條件允許情況下，針對建筑內區發熱負荷特點，均可以采用冷卻水塔免費制冷，以維持室內舒適性。當然也要綜合評價冷卻水塔免費制冷的設備投資與節能潛力，選擇合理的解決方案。
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