Чиллери з водяним охолодженням мають конденсатор з водяним охолодженням, з’єднаний з градирнею. Вони зазвичай використовуються для середніх і великих установок, які мають достатній запас води. Чиллери з водяним охолодженням можуть забезпечити більш постійну продуктивність для комерційного та промислового кондиціонування повітря завдяки відносній незалежності від коливань температури навколишнього середовища. Розміри холодильних машин із водяним охолодженням варіюються від невеликих 20-тоннних моделей до моделей на кілька тисяч тонн, які охолоджують найбільші об’єкти світу, такі як аеропорти, торгові центри та інші об’єкти.
Типовий холодильний агрегат із водяним охолодженням використовує рециркуляцію води конденсатора з градирні для конденсації холодоагенту. Холодильник із водяним охолодженням містить холодоагент, який залежить від температури води на вході в конденсатор (і швидкості потоку), який залежить від температури навколишнього середовища за змоченим термометром. Оскільки температура за вологим термометром завжди нижча за температуру за сухим термометром, температура конденсації холодоагенту (і тиск) у холодильній машині з водяним охолодженням часто може бути значно нижчою, ніж у холодильній машині з повітряним охолодженням. Таким чином, чиллери з водяним охолодженням можуть працювати ефективніше.
Чиллери з водяним охолодженням зазвичай знаходяться в закритих приміщеннях, захищених від стихії. Таким чином, холодильна машина з водяним охолодженням може запропонувати довший термін служби. Чиллери з водяним охолодженням зазвичай є єдиним варіантом для великих установок. Додаткова система градирні вимагатиме додаткових витрат на установку та технічне обслуговування порівняно з чилерами з повітряним охолодженням.