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摘要 本论文主要阐述了自由冷却系统在工程中的实际应用，其中包括自由冷却板换串联和并联问题分析、室外气象条件分析、系统运行分析、系统节能分析、系统控制要点以及一些安全措施等，为将来设计自由冷却系统或在原系统进行自由冷却改造提供参考。
关键词 自由冷却、节能、冷冻机组、板式换热器
0 前言
自由冷却作为一种免费供冷方式已经广泛应用在民用、工业、数据中心等空调系统，由于该类项目空调的负荷特点是全年均需要供冷，所以在冬季和过渡季最适合采用自由冷却系统为其提供免费的冷源，可以节约冷水机组能耗，为业主节省客观的运行费用，降低企业生产成本并且符合国家的节能减排政策，有利于可持续发展。自由冷却系统是发展较快的一种供冷技术，当室外湿球温度低于某一值时，开启冷却塔代替冷冻机为空调系统提供低廉的冷源，由于冷源来自室外较低温度的空气，因此它是一种非常节能的供冷系统。
1. 自由冷却系统概述
自由冷却供冷系统已经广泛的应用在民用、工业、数据中心等空调系统，尤其在电子工业厂房项目和数据中心项目中。由于该类项目空调的负荷特点是全年均需要供冷，所以在冬季最适合采用自由冷却系统为其提供免费的冷源，可以节省冷冻机消耗的电能，为业主节省相当大一部分的运行费用，降低生产成本。
自由冷却系统是发展较快的一种供冷技术，当室外湿球温度低于某一值时，开启冷却塔代替冷冻机为空调系统提供低廉的冷源，由于冷源来自室外较低温度的空气，所以它可以说成是一种非常节能的供冷系统。
按照冷却设备组合形式的不同可以分为两种不同的自由冷却系统：
第一种是采用开式塔自由冷却。把冷却水降到冷冻水温度以下，再经过板换器为空调系统冷冻水进行降温。
第二种就是采用闭式冷却塔自由冷却。它是直接把冷冻水输送至闭式塔内进行降温。
两种方式各有优缺点，需要根据具体的项目特点来分析选用哪种自由冷却形式。两种供冷方式在冬季运行时都需要考虑防冻。开式冷却塔在冬季常采用冷却塔接水盘加设电加热方式防冻，屋面冷却水管道采用电伴热防冻，而闭式冷却塔喷淋水系统的防冻与开式冷却塔采用一样的方式。
另外在寒冷和严寒地区通常采用在冷却水中加入乙二醇的方式来防冻。冷却水加入乙二醇后会，水系统的粘度会增加，进而增加系统运行的阻力。闭式冷却塔较开式塔还增加了喷淋水泵的电量且效率较开式冷却塔低，因此从节能角度考虑，采用开式冷却塔是合适的。闭式冷却塔供水水质较好。
2. 项目概述
本项目建设初期并没有考虑自由冷却系统，由于生产时工艺设备发热量大，，且为常年全天24小时不停地生产，冬季的冷负荷非常大，而这部分冷负荷需要电驱动压缩机式冷水机组提供，因此需要消耗很大部分的电能。为了节省这部分运行费用，将原系统改造为带有自由冷却的供冷系统，即在冬季用自然冷源来替代机械制冷。
3. 设计简述
原供冷系统设计9台1700RT的水冷离心式冷水机组，设计总小时冷负荷为：13600RT;实际夏季高峰运行7台机组，夏季实际最大总小时冷负荷：11900RT（此冷负荷和产能有关）;实际冬季总小时冷负荷为：5000RT～5500RT。
本次自由冷却系统设计冬季小时冷负荷为：5100RT。设计冷却塔在室外湿球低于4℃时的最大小时供冷能力为：5700RT;冬季运行时系统最大冷负荷约为：5100RT;约占夏季设计总小时冷负荷的：37.5%;约占全年实际最大小时总冷负荷的：42.9%。
本系统采用自由板式换热器和冷冻机并联的方式间接供冷，冷却水经过板式换热器和冷冻水进行换热，空调侧冷冻水供回水温度为：8/15℃;冷却水设计供回水温度为：7/12℃。
设计选用三组开式横流冷却塔、三台板式换热和三台冷却水循环泵。每组冷却塔在标准工况下，供回水温度为：32/37℃时，循环水处理能力为：3200m3/h;经设备厂家校核，在设计工况室外湿球为4℃时;供回水温度为：7/12℃时，冷却塔的循环水处理能力为：1150m3/h;单台板式换热器的换热量为7200KW，设计板式换热器的换热对数温差為：1℃（实际运行时的换热温差为1.5℃左右）。单台冷却水泵的循环水流量为：1150m3/h;冷冻水循环泵采用原系统的冷冻水泵;系统冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器采用一对一并联设置，冷却水采用母管制。
并联式自由冷却系统图：
在有些项目中，设计师常把自由冷却系统设计成带预冷模式的串联系统;即在过渡季室外湿球温度高于4℃时，当冷却水供水温度低于冷冻回水温度1℃以下时（考虑板式换热器1.5℃对数温差），冷却水供水先经过板换和冷冻水回水换热，对其预冷，然后再分别进入冷冻机的冷凝器和蒸发器（且预冷后冷却水的温度必须高于冷冻机的冷却水要求的最低温度，以免冷冻机自我保护停机）。当室外温度低于4℃时，系统开始完全自由冷却运行。
带预冷模式的串联式自由冷却系统图：
当预冷时：
冷却水侧电动阀：CV1、CV4开;CV2、CV3关闭;
冷冻水侧电动阀：V1、V4开;V2、V3关闭;
当出板换的冷却水温度较低时，开启阀CV3，保证进入冷凝器的冷却水温度高于冷却水允许的最低温度。
完全自由冷却时：
冷却水侧电动阀：CV1、CV3开;CV2、CV4关闭;
冷冻水侧电动阀：V1、V3开;V2、V4关闭;
当需要冷冻机制冷的负荷低于冷冻机的最低负荷时开启V3阀门。以保证冷冻机能正常工作。
两种系统的优缺点：
普通并联系统：投资小、系统简单、运行时切换方便、可手动控制切换，避免由于室外温度变化引起系统频繁切换。
带预冷模式的并联系统：投资大，系统复杂，运行时切换需要采用较高程度的自动控制;系统随室外湿球温度变化影响比较大，频繁切换;自控阀门多，故障点多，由于系统是板式换热器和冷冻机串联运行，冷却、冷冻水泵杨程较上系统大很多，耗电量也会增大。冷冻机（变频冷冻机除外）长时间在低于50%的负荷运行，运行效率低;而且运行人员往往只采第二种运行模式，不采用预冷模式。预冷模式经常成为摆设。 综上所述，普通并联系统优于带预冷模式的并联系统。
4. 系统运行分析
4.1 气象条件分析
经统计北京市2011到2012年冬季及过渡季室外干湿球及相对湿度如下表：
根据上表中数据粗略统计北京市一年共5个月室外平均湿球温度小于4℃，分别是1月份、2月份、3月份、11月份、12月份。即：北京市全年可自由冷却小时数约为3621小时。
4.2运行数据分析
4.2.1 夜间完全自由冷却
由于3月15日至3月31日时段，中午时的室外湿球温度经常高于冷却塔设计的室外湿球温度，在这段时间不能完全进行自由冷却，而是由自由冷却和冷冻机联合供冷的模式来运行。
由于在晚上10点到早上10点室外湿球温度低于自由冷却的设计室外湿球温度，因此在这段时间进行完全自由冷却：冷却水供回水温度：6.7/13.7℃左右;冷冻水供回水温度：8.2/15.2℃左右。
其中每组冷却塔均分别由4组额定冷却水量为800m?/h的小塔组成。
4.2.2 白天部分自由冷却
在上述时段中的白天温度较高，不能进行完全自由冷却，而采用部分自由冷却模式，白天开启一台或者两台冷冻机和三组冷却塔一起为空调及生产提供冷负荷，冷冻机设定供水回温度：7/14℃。
自由冷却冷却水供回水温度为7.5/12.5℃左右;冷冻水供回水温度：9/16℃左右;自由冷却系统冷冻水和冷冻机冷冻水混水后。冷冻水供水温度约为8.5℃。
4.2.3 夜间部分自由冷却
4月1日到4月7日，北京室外温度升高较快，白天完全满足自由冷却的时间较短，为了保证生产的安全和避免系统频繁切换，白天不采用自由冷却，而在夜间由于室外湿球温度较低，可满足部分自由冷却的条件，因此在夜间进行部分自由冷却。即从晚上10点到早上8点期间，开启一组或两组自由冷却系统和两组或者一组冷冻机并联运行为末端提供冷负荷。在此种模式下冷却塔风扇基本为满频运行。冷冻机供回水温度：7/14℃;板换二次侧冷冻水供回水温度：9.5/16.5℃左右;自由冷却系统冷冻水和冷冻机冷冻水混水后，冷冻水供水温度约为8.5℃。
4.2.4 完全自由冷却
即系统冷冻机组完全停止，空调及工艺冷却水冷负荷完全由冷却塔来提供。从1月1日开始至3月15日左右开始进行完全自由冷却。
其中2号塔风扇停止运行，进行填料融冰作业。每台塔融冰作业切换时间设定为30分钟。
由上表可知，完全自由冷却时且在北京最冷月中，此时冷却塔的供冷能力仅相当于标准工况下冷却塔供冷能力的72%。
4月7日至11月初，系统在完全制冷模式下运行。
以上自由冷却时段仅以北京地区分析得出的结论，再之每年冬季天气变化无常，因此具体情况还需要具体分析。
5. 系统节能分析
5.1 节能计算
本次改造项目2011年和2012年冷冻系统在没有进行自由冷却时的用电负荷和采用自由冷却后的冷冻系统用电负荷对照表：
由上表可知，2012年较2011年同期冷冻系统节省电能约为：9911199KWH。
根據北京工业用电平均电价为：0.6元/KWH;
2012年较2011年同期较上一年总节约电费约为：
9911199 KWH x0.6元/KWH=5946719元;
本次改造总投资为：1066万元;
投资回收期约为：1066/594.6年=1.80年;
即在第二年的自由冷却期间即可回收全部投资成本。
根据2011年统计：全厂总电力消耗为：22412.7万千瓦时，其中冷冻系统总电力消耗为：5244.8万千瓦时，约占全厂总电力消耗的23.4%，节约部分的总电量约占冷冻系统总耗电量的18.9%;约占全厂总电力消耗的4.4%。
5.2 系统优化
由于本次改造项目最初设计时，没有将把冷冻水分成低温冷冻水和中温冷冻水，而是全部设计成低温冷冻水，冷冻水供回水温度为8/15℃，因此冬季自由冷却系统的运行时间有限。如果把空调系统分成低温冷冻水和中温冷冻水，则冬季自由冷却运行时间会延长，系统将更节能。
在同类型其他厂房是设计时，冷冻水系统设计为两种不同水温的系统：一种是供回水温度为：7/14℃的低温冷冻水;另一种是供回水温度为：14/21℃的中温冷冻水;低温冷冻水在夏季供给新风机组除湿及办公区空调使用，因此低温冷冻机仅在夏季运行;而中温冷冻水一部分供给新风机组一级表冷用，另一部分主要供给空调干盘管、纯水制备和工艺设备冷却所使用。全年中温冷负荷较恒定，因此大部分中温冷水机组在冬季和过度季也要开启。自由冷却时冷却水侧供回水温度也会提高至13/20℃（考虑板式换热器1.5℃对数温差）。
由于冷却塔出口水温一般比空气湿球温度高3～5°C，因此可以按照室外湿球（13°C -3°C）=10°C来计算选型。根据北京的室外天气可知，一年之中室外湿球低于9°C的时间大约是：10月25日左右至次年4月15日左右，在这段时间可以进行完全自由冷却。而在10月10日到10月25日之间和4月15日至4月30之间可以进行部分自由冷却。完全自由冷却时间大约可以延长50天。完全自由冷却每天可再节省电费约为：2260014x0.6/31=43742元/天;（参照1月份总节能用电量折合到每天的所节能的费用估算）。
50天总节省费用约为：50x43742元=2187100元;
按照中温冷冻水系统方式设置空调系统，则每年可以比第一种方式多节省约2187100元。
投资回收期约为：1066/（594.6+218.71）年=1.32年; 6. 系统控制要点
系统冷冻水泵、冷却塔风扇均采用变频控制，在控制中优先由冷冻水的供水温度8℃（可调）控制冷却塔风扇变频。当冷冻水供水温度低于6℃时，降低冷却塔风扇的频率。恒定冷冻水供水温度在6℃以上，且不可把温度设定的太低，太低将会导致冷却水系统结冰。
冷冻水泵由冷冻水供回水总管的压力差传感器来控制冷冻水泵变频，冷却水泵采用定频运行。在冬季自由冷却时，冷却水温度一般较低，当冷却水泵由于频率降低使流量降低时，这样会更易导致冷却塔结冰，因此冷却水泵采用定频。
冷却塔融冰控制;由于每组冷却塔由4台小冷却塔组成，融冰时，设定其中一台冷却塔风扇停止工作，让温度较高的冷却回水从冷却塔顶淋至塔盘，依靠冷却水在下淋的过程来融冰。每半个小时切换至另一台冷却塔进行融冰。
系统在由制冷系统切换至自由冷却系统时，由运行人员根据天气情况进行手动切换，当室外湿球温度长时间低于4℃时，先开启一组自由冷却系统，当冷却水供水温度恒定为7℃时，开启与之相对应的冷冻水循环泵，当系统稳定后，再关闭一台冷冻机，然后再开启另一组自由冷却系统，自由冷却系统依次开启。
7. 安全措施
冬季冷却塔运行时，存在以下问题：
1、需要解决好冷却塔冬季融冰问题。最常用的解决方案有以下三种：
第一种：采用人工除冰，此次方案简单实用，但较危险。
第二种：采用风机停转的方式融冰，以上已经介绍了此种除冰控制方式，此方法最为简单是最为实用的融冰方法，且在本项目中已经得到应用。
第三种：在冷却填料外围设置一套高温热水系统，采用高温的热水喷射到冷却塔外的冰面上进行融冰。此种方法较难控制喷射的热水量，如果喷射的热水量较大，会导致冷却水温度升高，使用此种方法控制时可以间断方式除冰。
运行中还发现冷却塔在白天，其中两侧进风面的朝南向填料外结冰量较小，朝北向填料外结冰量大，这是由于太阳光照的原故，因此在布置冷却塔时，可以视现场实际情况，把进风面朝南布置，或者采用单侧进风方式的冷却塔，同时把进风侧朝南布置。
冷却塔集水盘结冰常采用电加热来融冰，此种方式较常见。
2、冬季运行的冷却水管道保温，同时做好管道电伴热。
8. 結论
综上所述，自由冷却系统有很好的节能效果，可节约大量电费，降低企业生产成本，响应国家节能减排的号召。随着这项技术的不断完善，运行经验的积累，相信会为企业带来更多的经济效益。
参考文献
[1] 艾为学 冀兆良等 全国勘察设计注册公用设备工程师暖通空调专业考试复习教材（第三版），北京：中国建筑工业出版社，2013。
[2] 中国建筑热环境分析专用气象数据集，北京：中国建筑工业出版社，2005。
关键词 自由冷却、节能、冷冻机组、板式换热器
0 前言
自由冷却作为一种免费供冷方式已经广泛应用在民用、工业、数据中心等空调系统，由于该类项目空调的负荷特点是全年均需要供冷，所以在冬季和过渡季最适合采用自由冷却系统为其提供免费的冷源，可以节约冷水机组能耗，为业主节省客观的运行费用，降低企业生产成本并且符合国家的节能减排政策，有利于可持续发展。自由冷却系统是发展较快的一种供冷技术，当室外湿球温度低于某一值时，开启冷却塔代替冷冻机为空调系统提供低廉的冷源，由于冷源来自室外较低温度的空气，因此它是一种非常节能的供冷系统。
1. 自由冷却系统概述
自由冷却供冷系统已经广泛的应用在民用、工业、数据中心等空调系统，尤其在电子工业厂房项目和数据中心项目中。由于该类项目空调的负荷特点是全年均需要供冷，所以在冬季最适合采用自由冷却系统为其提供免费的冷源，可以节省冷冻机消耗的电能，为业主节省相当大一部分的运行费用，降低生产成本。
自由冷却系统是发展较快的一种供冷技术，当室外湿球温度低于某一值时，开启冷却塔代替冷冻机为空调系统提供低廉的冷源，由于冷源来自室外较低温度的空气，所以它可以说成是一种非常节能的供冷系统。
按照冷却设备组合形式的不同可以分为两种不同的自由冷却系统：
第一种是采用开式塔自由冷却。把冷却水降到冷冻水温度以下，再经过板换器为空调系统冷冻水进行降温。
第二种就是采用闭式冷却塔自由冷却。它是直接把冷冻水输送至闭式塔内进行降温。
两种方式各有优缺点，需要根据具体的项目特点来分析选用哪种自由冷却形式。两种供冷方式在冬季运行时都需要考虑防冻。开式冷却塔在冬季常采用冷却塔接水盘加设电加热方式防冻，屋面冷却水管道采用电伴热防冻，而闭式冷却塔喷淋水系统的防冻与开式冷却塔采用一样的方式。
另外在寒冷和严寒地区通常采用在冷却水中加入乙二醇的方式来防冻。冷却水加入乙二醇后会，水系统的粘度会增加，进而增加系统运行的阻力。闭式冷却塔较开式塔还增加了喷淋水泵的电量且效率较开式冷却塔低，因此从节能角度考虑，采用开式冷却塔是合适的。闭式冷却塔供水水质较好。
2. 项目概述
本项目建设初期并没有考虑自由冷却系统，由于生产时工艺设备发热量大，，且为常年全天24小时不停地生产，冬季的冷负荷非常大，而这部分冷负荷需要电驱动压缩机式冷水机组提供，因此需要消耗很大部分的电能。为了节省这部分运行费用，将原系统改造为带有自由冷却的供冷系统，即在冬季用自然冷源来替代机械制冷。
3. 设计简述
原供冷系统设计9台1700RT的水冷离心式冷水机组，设计总小时冷负荷为：13600RT;实际夏季高峰运行7台机组，夏季实际最大总小时冷负荷：11900RT（此冷负荷和产能有关）;实际冬季总小时冷负荷为：5000RT～5500RT。
本次自由冷却系统设计冬季小时冷负荷为：5100RT。设计冷却塔在室外湿球低于4℃时的最大小时供冷能力为：5700RT;冬季运行时系统最大冷负荷约为：5100RT;约占夏季设计总小时冷负荷的：37.5%;约占全年实际最大小时总冷负荷的：42.9%。
本系统采用自由板式换热器和冷冻机并联的方式间接供冷，冷却水经过板式换热器和冷冻水进行换热，空调侧冷冻水供回水温度为：8/15℃;冷却水设计供回水温度为：7/12℃。
设计选用三组开式横流冷却塔、三台板式换热和三台冷却水循环泵。每组冷却塔在标准工况下，供回水温度为：32/37℃时，循环水处理能力为：3200m3/h;经设备厂家校核，在设计工况室外湿球为4℃时;供回水温度为：7/12℃时，冷却塔的循环水处理能力为：1150m3/h;单台板式换热器的换热量为7200KW，设计板式换热器的换热对数温差為：1℃（实际运行时的换热温差为1.5℃左右）。单台冷却水泵的循环水流量为：1150m3/h;冷冻水循环泵采用原系统的冷冻水泵;系统冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器采用一对一并联设置，冷却水采用母管制。
并联式自由冷却系统图：
在有些项目中，设计师常把自由冷却系统设计成带预冷模式的串联系统;即在过渡季室外湿球温度高于4℃时，当冷却水供水温度低于冷冻回水温度1℃以下时（考虑板式换热器1.5℃对数温差），冷却水供水先经过板换和冷冻水回水换热，对其预冷，然后再分别进入冷冻机的冷凝器和蒸发器（且预冷后冷却水的温度必须高于冷冻机的冷却水要求的最低温度，以免冷冻机自我保护停机）。当室外温度低于4℃时，系统开始完全自由冷却运行。
带预冷模式的串联式自由冷却系统图：
当预冷时：
冷却水侧电动阀：CV1、CV4开;CV2、CV3关闭;
冷冻水侧电动阀：V1、V4开;V2、V3关闭;
当出板换的冷却水温度较低时，开启阀CV3，保证进入冷凝器的冷却水温度高于冷却水允许的最低温度。
完全自由冷却时：
冷却水侧电动阀：CV1、CV3开;CV2、CV4关闭;
冷冻水侧电动阀：V1、V3开;V2、V4关闭;
当需要冷冻机制冷的负荷低于冷冻机的最低负荷时开启V3阀门。以保证冷冻机能正常工作。
两种系统的优缺点：
普通并联系统：投资小、系统简单、运行时切换方便、可手动控制切换，避免由于室外温度变化引起系统频繁切换。
带预冷模式的并联系统：投资大，系统复杂，运行时切换需要采用较高程度的自动控制;系统随室外湿球温度变化影响比较大，频繁切换;自控阀门多，故障点多，由于系统是板式换热器和冷冻机串联运行，冷却、冷冻水泵杨程较上系统大很多，耗电量也会增大。冷冻机（变频冷冻机除外）长时间在低于50%的负荷运行，运行效率低;而且运行人员往往只采第二种运行模式，不采用预冷模式。预冷模式经常成为摆设。 综上所述，普通并联系统优于带预冷模式的并联系统。
4. 系统运行分析
4.1 气象条件分析
经统计北京市2011到2012年冬季及过渡季室外干湿球及相对湿度如下表：
根据上表中数据粗略统计北京市一年共5个月室外平均湿球温度小于4℃，分别是1月份、2月份、3月份、11月份、12月份。即：北京市全年可自由冷却小时数约为3621小时。
4.2运行数据分析
4.2.1 夜间完全自由冷却
由于3月15日至3月31日时段，中午时的室外湿球温度经常高于冷却塔设计的室外湿球温度，在这段时间不能完全进行自由冷却，而是由自由冷却和冷冻机联合供冷的模式来运行。
由于在晚上10点到早上10点室外湿球温度低于自由冷却的设计室外湿球温度，因此在这段时间进行完全自由冷却：冷却水供回水温度：6.7/13.7℃左右;冷冻水供回水温度：8.2/15.2℃左右。
其中每组冷却塔均分别由4组额定冷却水量为800m?/h的小塔组成。
4.2.2 白天部分自由冷却
在上述时段中的白天温度较高，不能进行完全自由冷却，而采用部分自由冷却模式，白天开启一台或者两台冷冻机和三组冷却塔一起为空调及生产提供冷负荷，冷冻机设定供水回温度：7/14℃。
自由冷却冷却水供回水温度为7.5/12.5℃左右;冷冻水供回水温度：9/16℃左右;自由冷却系统冷冻水和冷冻机冷冻水混水后。冷冻水供水温度约为8.5℃。
4.2.3 夜间部分自由冷却
4月1日到4月7日，北京室外温度升高较快，白天完全满足自由冷却的时间较短，为了保证生产的安全和避免系统频繁切换，白天不采用自由冷却，而在夜间由于室外湿球温度较低，可满足部分自由冷却的条件，因此在夜间进行部分自由冷却。即从晚上10点到早上8点期间，开启一组或两组自由冷却系统和两组或者一组冷冻机并联运行为末端提供冷负荷。在此种模式下冷却塔风扇基本为满频运行。冷冻机供回水温度：7/14℃;板换二次侧冷冻水供回水温度：9.5/16.5℃左右;自由冷却系统冷冻水和冷冻机冷冻水混水后，冷冻水供水温度约为8.5℃。
4.2.4 完全自由冷却
即系统冷冻机组完全停止，空调及工艺冷却水冷负荷完全由冷却塔来提供。从1月1日开始至3月15日左右开始进行完全自由冷却。
其中2号塔风扇停止运行，进行填料融冰作业。每台塔融冰作业切换时间设定为30分钟。
由上表可知，完全自由冷却时且在北京最冷月中，此时冷却塔的供冷能力仅相当于标准工况下冷却塔供冷能力的72%。
4月7日至11月初，系统在完全制冷模式下运行。
以上自由冷却时段仅以北京地区分析得出的结论，再之每年冬季天气变化无常，因此具体情况还需要具体分析。
5. 系统节能分析
5.1 节能计算
本次改造项目2011年和2012年冷冻系统在没有进行自由冷却时的用电负荷和采用自由冷却后的冷冻系统用电负荷对照表：
由上表可知，2012年较2011年同期冷冻系统节省电能约为：9911199KWH。
根據北京工业用电平均电价为：0.6元/KWH;
2012年较2011年同期较上一年总节约电费约为：
9911199 KWH x0.6元/KWH=5946719元;
本次改造总投资为：1066万元;
投资回收期约为：1066/594.6年=1.80年;
即在第二年的自由冷却期间即可回收全部投资成本。
根据2011年统计：全厂总电力消耗为：22412.7万千瓦时，其中冷冻系统总电力消耗为：5244.8万千瓦时，约占全厂总电力消耗的23.4%，节约部分的总电量约占冷冻系统总耗电量的18.9%;约占全厂总电力消耗的4.4%。
5.2 系统优化
由于本次改造项目最初设计时，没有将把冷冻水分成低温冷冻水和中温冷冻水，而是全部设计成低温冷冻水，冷冻水供回水温度为8/15℃，因此冬季自由冷却系统的运行时间有限。如果把空调系统分成低温冷冻水和中温冷冻水，则冬季自由冷却运行时间会延长，系统将更节能。
在同类型其他厂房是设计时，冷冻水系统设计为两种不同水温的系统：一种是供回水温度为：7/14℃的低温冷冻水;另一种是供回水温度为：14/21℃的中温冷冻水;低温冷冻水在夏季供给新风机组除湿及办公区空调使用，因此低温冷冻机仅在夏季运行;而中温冷冻水一部分供给新风机组一级表冷用，另一部分主要供给空调干盘管、纯水制备和工艺设备冷却所使用。全年中温冷负荷较恒定，因此大部分中温冷水机组在冬季和过度季也要开启。自由冷却时冷却水侧供回水温度也会提高至13/20℃（考虑板式换热器1.5℃对数温差）。
由于冷却塔出口水温一般比空气湿球温度高3～5°C，因此可以按照室外湿球（13°C -3°C）=10°C来计算选型。根据北京的室外天气可知，一年之中室外湿球低于9°C的时间大约是：10月25日左右至次年4月15日左右，在这段时间可以进行完全自由冷却。而在10月10日到10月25日之间和4月15日至4月30之间可以进行部分自由冷却。完全自由冷却时间大约可以延长50天。完全自由冷却每天可再节省电费约为：2260014x0.6/31=43742元/天;（参照1月份总节能用电量折合到每天的所节能的费用估算）。
50天总节省费用约为：50x43742元=2187100元;
按照中温冷冻水系统方式设置空调系统，则每年可以比第一种方式多节省约2187100元。
投资回收期约为：1066/（594.6+218.71）年=1.32年; 6. 系统控制要点
系统冷冻水泵、冷却塔风扇均采用变频控制，在控制中优先由冷冻水的供水温度8℃（可调）控制冷却塔风扇变频。当冷冻水供水温度低于6℃时，降低冷却塔风扇的频率。恒定冷冻水供水温度在6℃以上，且不可把温度设定的太低，太低将会导致冷却水系统结冰。
冷冻水泵由冷冻水供回水总管的压力差传感器来控制冷冻水泵变频，冷却水泵采用定频运行。在冬季自由冷却时，冷却水温度一般较低，当冷却水泵由于频率降低使流量降低时，这样会更易导致冷却塔结冰，因此冷却水泵采用定频。
冷却塔融冰控制;由于每组冷却塔由4台小冷却塔组成，融冰时，设定其中一台冷却塔风扇停止工作，让温度较高的冷却回水从冷却塔顶淋至塔盘，依靠冷却水在下淋的过程来融冰。每半个小时切换至另一台冷却塔进行融冰。
系统在由制冷系统切换至自由冷却系统时，由运行人员根据天气情况进行手动切换，当室外湿球温度长时间低于4℃时，先开启一组自由冷却系统，当冷却水供水温度恒定为7℃时，开启与之相对应的冷冻水循环泵，当系统稳定后，再关闭一台冷冻机，然后再开启另一组自由冷却系统，自由冷却系统依次开启。
7. 安全措施
冬季冷却塔运行时，存在以下问题：
1、需要解决好冷却塔冬季融冰问题。最常用的解决方案有以下三种：
第一种：采用人工除冰，此次方案简单实用，但较危险。
第二种：采用风机停转的方式融冰，以上已经介绍了此种除冰控制方式，此方法最为简单是最为实用的融冰方法，且在本项目中已经得到应用。
第三种：在冷却填料外围设置一套高温热水系统，采用高温的热水喷射到冷却塔外的冰面上进行融冰。此种方法较难控制喷射的热水量，如果喷射的热水量较大，会导致冷却水温度升高，使用此种方法控制时可以间断方式除冰。
运行中还发现冷却塔在白天，其中两侧进风面的朝南向填料外结冰量较小，朝北向填料外结冰量大，这是由于太阳光照的原故，因此在布置冷却塔时，可以视现场实际情况，把进风面朝南布置，或者采用单侧进风方式的冷却塔，同时把进风侧朝南布置。
冷却塔集水盘结冰常采用电加热来融冰，此种方式较常见。
2、冬季运行的冷却水管道保温，同时做好管道电伴热。
8. 結论
综上所述，自由冷却系统有很好的节能效果，可节约大量电费，降低企业生产成本，响应国家节能减排的号召。随着这项技术的不断完善，运行经验的积累，相信会为企业带来更多的经济效益。
参考文献
[1] 艾为学 冀兆良等 全国勘察设计注册公用设备工程师暖通空调专业考试复习教材（第三版），北京：中国建筑工业出版社，2013。
[2] 中国建筑热环境分析专用气象数据集，北京：中国建筑工业出版社，2005。