数据中心是全年连续排热的负载，制冷系统的功耗并不随季节下降。低温季节里，冷却塔同时承担两个目标：把室外低温变成可用冷源（降低压缩机运行时长），以及保证水系统不在零度附近结冰。两个目标存在张力——水做得越冷，自然冷却时段越长，但结冰风险也越高。规范层面，GB 50174-2017 第 7.4.10 条要求充分利用自然冷源，并指明水冷冷水机组空调系统冬季可利用室外冷却塔作为冷源；第 7.4.11 条则对寒冷地区的水冷冷水机组空调系统提出防冻要求。工程实现应当在这两条之间找平衡点。
一、原理层：自然冷源的能量账与冰的成因
能量账。自然冷却（free cooling / evaporative chilling）指凉爽天气下由蒸发冷却设备直接生产冷水。秋冬春三季，冷却塔或闭式冷却塔产出的水温足以支持冷水机组停机。省电的本质是用低功耗设备替代高功耗设备：风机马达约 0.2 kW/ton，冷水机组压缩机约 0.6~0.8 kW/ton。
实现形态。自然冷却系统的工程形态分三类：
| 形态 | 供冷路径 | 关键约束 |
|---|---|---|
| 冷却塔 + 换热器 | 冬季旁通冷水机组，塔产冷水经换热器冷却负荷侧冷水 | 换热器逼近温差 |
| 闭式冷却塔 | 冬季闭式循环直接供冷，循环水与系统水不直接接触 | 换热器需防冻 |
| 制冷剂迁移 | 压缩机停机时打开冷凝器与蒸发器阀门，制冷剂自由迁移 | 受相变限制，需开式塔或闭式塔提供尽可能低的水温 |
逼近温差。两个回路之间的温差工程上希望尽可能低，约 5°F（2.8°C）或更低；但该值压得越低，换热器的成本与尺寸上升越明显，属于典型的前期投入与运行收益互换。
冰的成因。冷却塔的性能由三个变量支配：风量、环境空气与被冷却水之间的温差、传热表面积。任一变量增大都会提高传热速率，极端情况下足以把水温降到冰点。结冰最先发生的部位是填料外表面——空气最初被吸入之处，尤其靠近填料包底部，即冷空气与水首次相遇的位置。
二、做法层：参数边界与运行控制
2.1 出水温度的取值范围
自然冷却的最低实用出水温度有明确取值：开式冷却塔 42°F（5.6°C），闭式冷却塔 45°F（7.2°C）。不过低温运行时温度设定不宜贴下限走——应取系统仍能高效运转的最高出水温，且以 43°F（约 6°C）为不可逾越的下界。水温再低，湿/干界面的结冰会显著加剧。抬高水温的收益可以量化：某 500 名义吨塔在 60% 峰值负荷下，出水维持 43°F（6.1°C）时约可提供 1900 小时自然冷却；提高到 50°F（10°C）后可增至约 2900 小时，并因压缩机可停机而额外节省约 10% 能耗。
2.2 塔容量的选型口径
所需塔（或闭式塔）尺寸由负荷、环境湿球温度、出水温度三者共同决定。需要注意低出水温度场景下，冬季所需塔尺寸可能大于夏季，即便冬季负荷更低。换算关系是：每吨冷却塔容量（约 0.2 kW/ton）可替代一吨冷水机组容量（约 0.6~0.8 kW/ton），因此自然冷却容量应尽量装设并运行到最大可行值。成本侧的参照案例：一套 400 吨离心冷水机组，配冷却塔、板式换热器、泵与管道，自然冷却部分附加首成本约 4.2 万美元、年运营成本节省约 3.3 万美元，回收期约 1.25 年。
2.3 三项运行控制
严寒防结冰依赖三项控制的协同：水流控制、温度设定、风机控制。组合方式取决于气候极端程度与热负荷变化。
- 水流控制：塔必须运行在允许流量范围内。超限的后果分两侧——超过最大流量会导致布水盘溢流与外部结冰；低于最小流量会造成局部缺水、填料干湿界面结冰，且不易察觉直至塔体受损。常温下的对应风险是结垢加剧。
- 温度设定：见 2.1，下限为 43°F（约 6°C）。
- 风机控制：变速是最常见也最直接的容量控制方式，严寒工况推荐使用变频器（VFD）实现更精确的风量与温度控制；替代方案包括双速电机、多速电机、部分单元停风机。
2.4 旁通、启停与水盘
旁通阀。启停阶段旁通管路有用，但作为容量控制手段须谨慎，控制时序是关键；低温下旁通造成的流量削减不得把塔流量压到最小允许值以下。自然冷却应用另有更严的限值：设计水流量的 20%（风机运行）与 50%（风机停止）为旁通上限，全旁通只作风机停转后的收尾步骤。
启停时序。启动与停机时系统热输入最少，风险最高。启动阶段先用全流量旁通建立循环，进水温度回到系统最大耐受温度的 5°F 以内后再切上塔；停机阶段则要在风机全停后尽快切旁通、停上塔或停泵。
水盘。严寒停机时须保护水盘水不冻结，常用远程集水槽或电水盘加热器。远程集水槽可消除加热器故障导致的冻结风险，设计合理时还可免去供水、回水、补水管伴热保温。
闭式塔。严寒天气运行需为换热器防冻，手段包括工艺流体回路使用乙二醇或采用正压关闭风门；开式与闭式蒸发设备均须执行冷天运行程序。
三、清单层：除冰步骤与参数速查
3.1 除冰操作顺序
- 降低风机转速——减少被拉过填料的水量，使暖水淹没填料外侧融冰；
- 若已达最低推荐转速仍无效，关闭风机一段时间，让外表面冰层融化；
- 仅在冰桥接填料片或进风导流片时，才考虑反向运行风机：低速反转，不超过全速的 25%；正反转间隔至少 40 秒，须配备风机振动切断开关；该操作存在风机故障与人身伤害风险，须慎用；
- 严酷工况（环境温度低于 0°F / -17.8°C）下，建议每 2~3 小时反向运行最多 30 分钟。
3.2 参数速查
| 项目 | 取值 | 备注 |
|---|---|---|
| 风机马达功耗 | 约 0.2 kW/ton | 与压缩机对比基准 |
| 压缩机功耗 | 约 0.6~0.8 kW/ton | — |
| 自然冷却最低出水温度（开式塔） | 42°F（5.6°C） | 实用下限 |
| 自然冷却最低出水温度（闭式塔） | 45°F（7.2°C） | 实用下限 |
| 严寒工况出水温度下限 | 43°F（约 6°C） | 不得低于 |
| 换热器逼近温差 | 5°F（2.8°C）或更低 | 越低造价越高 |
| 旁通流量上限（风机运行 / 关闭） | 20% / 50% | 占设计水流量（自然冷却应用） |
| 反向风机除冰转速上限 | 全速的 25% | 正反转间隔 ≥40 秒 |
| 启停切换阈值 | 最大耐受温度的 5°F 以内 | 进水温度 |
四、塔型与维护
单侧进风的横流式塔在低温下更有优势——传热面可在塔外直接目视，关键件伸手可及，防横风与防百叶结冰不依赖附加装置；逆流式塔需要另行配置。此外，排出的湿热空气一旦折返回塔，周边表面会挂霜结冰，既恶化作业安全，也会冻堵百叶、压缩进风，极端情况损坏塔体；布置上必须做防回风。维护层面应提高目视检查频次（确认除冰有效、控制设定正确、结冰及早发现）；预防性维护计划则落在三件事上——轴承润滑依润滑牌周期执行、滤网定期清洗以防高水位、补水浮球阀定期校准。
免责声明：本文防冻方法与自然冷源数据整理自国标条款与公开技术资料，实际防冻与节能效果因气候、工况、布置而异，以项目专项设计为准。
