水系统的组成

按制冷方式的不同，中央空调又分为直接制冷系统和间接制冷系统。

直接制冷系统：只包括制冷剂回路，制冷系统中的蒸发器直接和被冷却介质或空间相接触进行热交换，直接利用蒸发器去冷却环境空气或冻结物。

间接制冷系统：至少包括制冷剂和载冷剂两个回路，制冷剂首先冷却载冷剂，再通过载冷剂去实现冷却目的。冷水机组就属于间接制冷系统。

中央空调系统的工作原理

间接式制冷中央空调的基本原理： 建筑物内的热量通过五个介质循环、四次热交换排放到室外去，从而实现建筑物内部的制冷。

中央空调制冷，就是将空调的冷负荷（热量）从室内转移到室外去，这是一个按照热力学第二定律进行的“热量逆向传递”的过程。

中央空调系统制冷过程中，热量转移与冷量转移是同时进行的，但冷量转移与热量转移的方向正好相反。

空调冷水的输送

中央空调冷冻水和冷却水的分配、输送与循环，是通过管路系统和液体输送设备来实现的。管路系统是输送空调水的载体；液体输送设备——水泵为输送空调水提供动力，用以克服水的压力和流动时的阻力。

1、空调水系统的管路

空调水系统管路按其特征有5种形式11种类型：

按循环水是否与空气接触分，分为开式系统和闭式系统；

按循环水流动途径分，分为同程式系统和异程式系统；

按供、回水管数量分，分为二管制、三管制和四管制系统；

按水流量是否变化分，分为定流量系统和变流量系统；

按水泵设置方式来分，分为单式泵系统和复式泵系统。

（1）闭式系统与开式系统

闭式系统：管路中的水不与大气接触，仅在系统高点设置膨胀水箱。

闭式循环的优点：

· 管路不与大气接触，管道和设备不易腐蚀。

· 水泵所需扬程仅由管路阻力大小决定，不需克服静水压力，水泵扬程和功率较低。

· 系统简单。

闭式循环的缺点：

· 蓄冷能力小，低负荷时，冷水机组也需要经常启动。

· 膨胀水箱的补水，有时需要另设加压水泵。

闭式系统应用场合：

· 当空调系统采用风机盘管、诱导器和水冷式表冷器时；高层建筑的空调冷水系统；热水系统。

开式系统：管路之间有贮水箱或水池通大气，自流回水时，管路通大气。开式系统的几种常见形式。

开式系统的优点：

· 冷水池有的蓄冷能力，可以减少冷冻机开启时间，能量调节能力冷水温度波动较小。开式系统的缺点：冷水与大气接触，循环水中含氧量高，易腐蚀管道；水泵的扬程除需要克服管路阻力外，还需具有把水提升到某一高度的压头，水泵扬程和能耗较大； 如果采用自流回水，回水的管径较大，会增加投资。

开式系统应用场合：

· 当末端空调系统采用喷水冷却空气时；

· 冷水温度要求波动小或冷水机组的能量调节不能满足空调系统的变化时；

· 当采用开式水池贮水蓄冷以削减高峰负荷时；

· 淋水式冷却塔的冷却水系统。

（2）同程式系统与异程式系统

同程式系统：同程式系统中水流经过每一并联环路的管道路程基本相等，则各个管路的阻力损失接近相等。

同程式系统的形式：

· 竖向干管同程式管路

· 水平支管同程式管路

当各个末端换热器的水阻力大致相等时，由于各并联环路的管道总长度基本上相等，所以同程式系统的水力稳定性好，各环路间的水量分配均衡，调节方便。

同程式系统的缺点：同程式系统管道的长度增加，水阻力增大，使水泵的能耗增加，初投资相对较大。

异程式系统

异程式系统中水流经过每一并联环路的管道路程均不相等，因而阻力也不相等。

异程式系统的形式：

· 竖向干管异程式管路

· 水平支管异程式管路

异程式系统的优点：管路配置简单，耗用管材少，施工难度小，投资省。

异程式系统的缺点：各并联环路的管道总长度不相等，各环路间阻力不平衡，从而导致流量分配不匀。

（3）两管制、三管制、四管制

两管制系统：管路系统只有一根供水管和一根回水管。夏季循环冷水，冬季循环热水，用阀门进行切换。

两管制系统简单，施工方便，初投资小，但不能用于同时需要供冷又供热的场所。

三管制系统：管路系统有供冷管路、供热管路和回水管路三根水管，其冷水与热水共用一根回水管。

三管制系统能同时满足供冷和供热的要求，管路较四管制简单，但比两管制复杂，投资也比较高，且存在冷、热水回水的混合损失。

四管制系统：冷水与热水均单独设置自己的供水管和回水管，构成两套完全独立的供、回水管路，分别供冷和供热。

四管制系统能够同时供冷和供热，可以满足高质量空调环境的要求。但四管制管路系统十分复杂，初投资很高，且占用建筑空间也较多。

（4）定流量系统与变流量系统

定流量系统：水流量恒定不变，通过改变供、回水温差（变温差）来适应末端负荷的变化。当末端负荷减少时，水系统供、回水温差减小，使系统输送给负荷的能量减少，以满足负荷减少的要求，但水系统的输送能耗并未减少，因此水的运送效率低。

定流量系统的原理

定流量系统的各个空调末端装置采用电动三通阀调节。当室温未达到设定值时，三通阀的直通管开启、旁通管关闭，供水全部流经末端装置；当室温达到或超过设定值时，直通管关闭、旁通管开启，供水全部经旁通管流入回水管。因此，负荷侧水流量是不变的。

定流量系统的优点：系统简单，操作简便，不需要较复杂的自控设备；用户端采用三通阀调节水量，各用户之间互不干扰，系统运行较稳定。

定流量系统的缺点：系统水流量按负荷确定，绝大多数时间供水量都大于所需要的水量，输送能耗始终处于设计的值，水泵的无效能耗很大。

变流量系统

又称变水量（VWV）系统。它是保持供回水温差不变（定温差），通过改变水流量来适应空调末端负荷的变化，其水流量跟随负荷的变化而改变。当末端负荷减少时，系统水流量随之减小，使系统输送给负荷的能量减少，以适应负荷减少的要求。因水流量减少可降低水的输送能耗，因而节能显著。

变流量系统的原理

变流量系统的各个空调末端装置采用电动二通阀调节。当室温未达到设定值时，二通阀全开或开度增大，流经末端装置的供水增大；当室温达到或超过设定值时，二通阀关闭或开度减小，流经末端装置的供水量减少。因此，负荷侧水流量是变化的。

变流量系统的优缺点：

优点：水泵的能耗随负荷的减少而降低（节能）；配管设计时，可考虑同时使用系数，管径相应较小，水泵和管道的初投资降低。

缺点：变流量系统的控制设备要求较高，也较复杂。

（5）单式水泵系统与复式水泵系统

单式水泵系统：单式水泵系统又称一次泵系统，即冷源侧与负荷侧共用一组循环水泵。

负荷侧减少的部分水流量从旁通管返回回水总管，流回冷水机组，因而冷水机组蒸发器的水流量始终保持恒定不变（即定流量）。

一次泵系统的优缺点

优点：系统比较简单，控制元件少，运行管理方便。缺点：水流量调节受冷水机组小流量的限制；不能适应供水半径及供水分区扬程相差悬殊的情况。因此只能用于中小型空调系统。

复式水泵系统

复式水泵系统又称二次泵系统，即冷源侧与负荷侧分别配置循环水泵。

设在冷源侧的水泵，常称为一次泵；设在负荷侧的水泵，常称为二次泵。

二次泵系统的构成

二次泵系统由两个环路组成：

一次回路：回水总管→一次泵→冷水机组→供水总管。一次回路负责冷冻水的制备。

二次回路：供水总管→二次泵→末端设备→回水总管。二次回路负责冷冻水的输配。

二次泵系统的优、缺点：

优点： 能适应各个分区负荷变化规律不一样或各个分区回路扬程相差悬殊或各个分区供水作用半径相差较大的情况；可实现二次泵变流量，节省输送能耗。

缺点：系统较复杂，控制设备要求较高，机房占地面积较大，初投资较大。

一次泵与二次泵混合式系统：在冷冻水的输配环路中，管路较短、压力损失小的环路由一次泵直接供水，而压力损失大的环路则由二次泵供水，这样就构成了一次泵和二次泵混合式系统。

混合式系统如图示。

2、空调冷冻水系统的承压与垂直分区

（1）空调冷冻水系统的承压

随着建筑物高度的增加，空调冷冻水系统的静水压力和水泵出水压头也随之增加，而系统中的设备（冷水机组、热交换器）、管件、阀门等的承压能力是有限度的。

冷冻水系统的高压力

系统停止运行时的高压力在A点，其静压力由高度h决定。

系统开始运行时的高压力在水泵的出口处B点，水泵的出口压力等于静水压力与水泵全压之和。

系统正常运行时的高压力，系统正常运行时，A点和B点均可能承受压力。

冷冻水系统的承压

设备承压：包括冷水机组、水泵、板式热交换器等的承压，压力等级1.0～2.5 MPa；

管道承压：主要指管道、管件、阀门等的承压，普通螺纹连接的镀锌钢管和末端风机盘管的承压只有1.0 MPa。

（2）冷冻水系统的垂直分区

在高层或超高层建筑物中，冷冻水系统的静水压力很大。当设备的承压能力不足时，为保证空调水系统运行的安全，解决的办法就是将冷冻水系统进行垂直水力分区（低区和高区），并相互隔离。垂直分区后，静水压力变为分段承受，每个水区的水压大大降低。

换热器分区放置：只有下面一个分区的换热器在制冷站机房内，其它分区的换热器均放置在自己分区的底部。

优点：管道井较小，制冷站机房占用面积也小，每个分区的压力小（不超过1.0 MPa），系统安全。

缺点：冷水机组的承压较高，设备分散，不易管理。

高区的换热器集中放置于设备层的专用机房

这种分区方式能使热交换的次数少，从而减少换热的温度损失，保证换热器二次侧回水温度在合理的范围内。

高区的换热器集中放置于设备层的专用机房

这种分区方式能使热交换的次数少，从而减少换热的温度损失，保证换热器二次侧回水温度在合理的范围内。

采用板式换热器进行隔离分区的不足之处：

· 板式换热器价格昂贵，造成一次性投资增大；

· 换热器一次侧与二次侧“转水”后有1℃～2℃的温升，增加了换热损失；

· 换热器二次侧冷冻水温度升高后，必然使高层的空调末端出力下降，要维持同样的冷量供应，必需加大空调末端设备的容量，否则将延长空调达到其制冷效果的运行时间；

· 对于400m以上的建筑，会在高区出现第2级换热。第2级换热器的二次侧回水温度将达到14℃左右，非常接近空气的温度，不利于空气除湿。

设置多个独立的水系统将建筑物竖向分为2～3个独立的空调水系统，各自设置冷水机组、循环水泵等设备，从而实现水力隔离。由于每个水区的高度降低，使每个水区承受的静水压力也降低。

机房并置于建筑物中部的设备层内，但由于布置冷却塔要求空间开敞和的安装面积，故这种方法工程实施中有的困难。

机房分别置于建筑物的底层和顶层

底层系统冷却塔可布置于裙房屋顶上，顶层系统的冷却塔可布置于楼顶上，故工程实施较容易。但机房分散，管理不便。

独立水系统的竖向分区方式，缺点是各系统间相互独立，冷水机组、水泵等设备均不能互为备用，增大了投资；且在低负荷时，各系统设备均在低负荷下运行，效率降低，能耗增大。