水系統的組成

按制冷方式的不同，中央空調又分為直接制冷系統和間接制冷系統。

直接制冷系統：只包括制冷劑回路，制冷系統中的蒸發器直接和被冷卻介質或空間相接觸進行熱交換，直接利用蒸發器去冷卻環境空氣或凍結物。

間接制冷系統：至少包括制冷劑和載冷劑兩個回路，制冷劑首先冷卻載冷劑，再通過載冷劑去實現冷卻目的。冷水機組就屬于間接制冷系統。

中央空調系統的工作原理

間接式制冷中央空調的基本原理： 建筑物內的熱量通過五個介質循環、四次熱交換排放到室外去，從而實現建筑物內部的制冷。

中央空調制冷，就是將空調的冷負荷（熱量）從室內轉移到室外去，這是一個按照熱力學第二定律進行的“熱量逆向傳遞”的過程。

中央空調系統制冷過程中，熱量轉移與冷量轉移是同時進行的，但冷量轉移與熱量轉移的方向正好相反。

空調冷水的輸送

中央空調冷凍水和冷卻水的分配、輸送與循環，是通過管路系統和液體輸送設備來實現的。管路系統是輸送空調水的載體；液體輸送設備——水泵為輸送空調水提供動力，用以克服水的壓力和流動時的阻力。

1、空調水系統的管路

空調水系統管路按其特征有5種形式11種類型：

按循環水是否與空氣接觸分，分為開式系統和閉式系統；

按循環水流動途徑分，分為同程式系統和異程式系統；

按供、回水管數量分，分為二管制、三管制和四管制系統；

按水流量是否變化分，分為定流量系統和變流量系統；

按水泵設置方式來分，分為單式泵系統和復式泵系統。

（1）閉式系統與開式系統

閉式系統：管路中的水不與大氣接觸，僅在系統高點設置膨脹水箱。

閉式循環的優點：

· 管路不與大氣接觸，管道和設備不易腐蝕。

· 水泵所需揚程僅由管路阻力大小決定，不需克服靜水壓力，水泵揚程和功率較低。

· 系統簡單。

閉式循環的缺點：

· 蓄冷能力小，低負荷時，冷水機組也需要經常啟動。

· 膨脹水箱的補水，有時需要另設加壓水泵。

閉式系統應用場合：

· 當空調系統采用風機盤管、誘導器和水冷式表冷器時；高層建筑的空調冷水系統；熱水系統。

開式系統：管路之間有貯水箱或水池通大氣，自流回水時，管路通大氣。開式系統的幾種常見形式。

開式系統的優點：

· 冷水池有的蓄冷能力，可以減少冷凍機開啟時間，能量調節能力冷水溫度波動較小。開式系統的缺點：冷水與大氣接觸，循環水中含氧量高，易腐蝕管道；水泵的揚程除需要克服管路阻力外，還需具有把水提升到某一高度的壓頭，水泵揚程和能耗較大； 如果采用自流回水，回水的管徑較大，會增加投資。

開式系統應用場合：

· 當末端空調系統采用噴水冷卻空氣時；

· 冷水溫度要求波動小或冷水機組的能量調節不能滿足空調系統的變化時；

· 當采用開式水池貯水蓄冷以削減高峰負荷時；

· 淋水式冷卻塔的冷卻水系統。

（2）同程式系統與異程式系統

同程式系統：同程式系統中水流經過每一并聯環路的管道路程基本相等，則各個管路的阻力損失接近相等。

同程式系統的形式：

· 豎向干管同程式管路

· 水平支管同程式管路

當各個末端換熱器的水阻力大致相等時，由于各并聯環路的管道總長度基本上相等，所以同程式系統的水力穩定性好，各環路間的水量分配均衡，調節方便。

同程式系統的缺點：同程式系統管道的長度增加，水阻力增大，使水泵的能耗增加，初投資相對較大。

異程式系統

異程式系統中水流經過每一并聯環路的管道路程均不相等，因而阻力也不相等。

異程式系統的形式：

· 豎向干管異程式管路

· 水平支管異程式管路

異程式系統的優點：管路配置簡單，耗用管材少，施工難度小，投資省。

異程式系統的缺點：各并聯環路的管道總長度不相等，各環路間阻力不平衡，從而導致流量分配不勻。

（3）兩管制、三管制、四管制

兩管制系統：管路系統只有一根供水管和一根回水管。夏季循環冷水，冬季循環熱水，用閥門進行切換。

兩管制系統簡單，施工方便，初投資小，但不能用于同時需要供冷又供熱的場所。

三管制系統：管路系統有供冷管路、供熱管路和回水管路三根水管，其冷水與熱水共用一根回水管。

三管制系統能同時滿足供冷和供熱的要求，管路較四管制簡單，但比兩管制復雜，投資也比較高，且存在冷、熱水回水的混合損失。

四管制系統：冷水與熱水均單獨設置自己的供水管和回水管，構成兩套完全獨立的供、回水管路，分別供冷和供熱。

四管制系統能夠同時供冷和供熱，可以滿足高質量空調環境的要求。但四管制管路系統十分復雜，初投資很高，且占用建筑空間也較多。

（4）定流量系統與變流量系統

定流量系統：水流量恒定不變，通過改變供、回水溫差（變溫差）來適應末端負荷的變化。當末端負荷減少時，水系統供、回水溫差減小，使系統輸送給負荷的能量減少，以滿足負荷減少的要求，但水系統的輸送能耗并未減少，因此水的運送效率低。

定流量系統的原理

定流量系統的各個空調末端裝置采用電動三通閥調節。當室溫未達到設定值時，三通閥的直通管開啟、旁通管關閉，供水全部流經末端裝置；當室溫達到或超過設定值時，直通管關閉、旁通管開啟，供水全部經旁通管流入回水管。因此，負荷側水流量是不變的。

定流量系統的優點：系統簡單，操作簡便，不需要較復雜的自控設備；用戶端采用三通閥調節水量，各用戶之間互不干擾，系統運行較穩定。

定流量系統的缺點：系統水流量按負荷確定，絕大多數時間供水量都大于所需要的水量，輸送能耗始終處于設計的值，水泵的無效能耗很大。

變流量系統

又稱變水量（VWV）系統。它是保持供回水溫差不變（定溫差），通過改變水流量來適應空調末端負荷的變化，其水流量跟隨負荷的變化而改變。當末端負荷減少時，系統水流量隨之減小，使系統輸送給負荷的能量減少，以適應負荷減少的要求。因水流量減少可降低水的輸送能耗，因而節能顯著。

變流量系統的原理

變流量系統的各個空調末端裝置采用電動二通閥調節。當室溫未達到設定值時，二通閥全開或開度增大，流經末端裝置的供水增大；當室溫達到或超過設定值時，二通閥關閉或開度減小，流經末端裝置的供水量減少。因此，負荷側水流量是變化的。

變流量系統的優缺點：

優點：水泵的能耗隨負荷的減少而降低（節能）；配管設計時，可考慮同時使用系數，管徑相應較小，水泵和管道的初投資降低。

缺點：變流量系統的控制設備要求較高，也較復雜。

（5）單式水泵系統與復式水泵系統

單式水泵系統：單式水泵系統又稱一次泵系統，即冷源側與負荷側共用一組循環水泵。

負荷側減少的部分水流量從旁通管返回回水總管，流回冷水機組，因而冷水機組蒸發器的水流量始終保持恒定不變（即定流量）。

一次泵系統的優缺點

優點：系統比較簡單，控制元件少，運行管理方便。缺點：水流量調節受冷水機組小流量的限制；不能適應供水半徑及供水分區揚程相差懸殊的情況。因此只能用于中小型空調系統。

復式水泵系統

復式水泵系統又稱二次泵系統，即冷源側與負荷側分別配置循環水泵。

設在冷源側的水泵，常稱為一次泵；設在負荷側的水泵，常稱為二次泵。

二次泵系統的構成

二次泵系統由兩個環路組成：

一次回路：回水總管→一次泵→冷水機組→供水總管。一次回路負責冷凍水的制備。

二次回路：供水總管→二次泵→末端設備→回水總管。二次回路負責冷凍水的輸配。

二次泵系統的優、缺點：

優點： 能適應各個分區負荷變化規律不一樣或各個分區回路揚程相差懸殊或各個分區供水作用半徑相差較大的情況；可實現二次泵變流量，節省輸送能耗。

缺點：系統較復雜，控制設備要求較高，機房占地面積較大，初投資較大。

一次泵與二次泵混合式系統：在冷凍水的輸配環路中，管路較短、壓力損失小的環路由一次泵直接供水，而壓力損失大的環路則由二次泵供水，這樣就構成了一次泵和二次泵混合式系統。

混合式系統如圖示。

2、空調冷凍水系統的承壓與垂直分區

（1）空調冷凍水系統的承壓

隨著建筑物高度的增加，空調冷凍水系統的靜水壓力和水泵出水壓頭也隨之增加，而系統中的設備（冷水機組、熱交換器）、管件、閥門等的承壓能力是有限度的。

冷凍水系統的高壓力

系統停止運行時的高壓力在A點，其靜壓力由高度h決定。

系統開始運行時的高壓力在水泵的出口處B點，水泵的出口壓力等于靜水壓力與水泵全壓之和。

系統正常運行時的高壓力，系統正常運行時，A點和B點均可能承受壓力。

冷凍水系統的承壓

設備承壓：包括冷水機組、水泵、板式熱交換器等的承壓，壓力等級1.0～2.5 MPa；

管道承壓：主要指管道、管件、閥門等的承壓，普通螺紋連接的鍍鋅鋼管和末端風機盤管的承壓只有1.0 MPa。

（2）冷凍水系統的垂直分區

在高層或超高層建筑物中，冷凍水系統的靜水壓力很大。當設備的承壓能力不足時，為保證空調水系統運行的安全，解決的辦法就是將冷凍水系統進行垂直水力分區（低區和高區），并相互隔離。垂直分區后，靜水壓力變為分段承受，每個水區的水壓大大降低。

換熱器分區放置：只有下面一個分區的換熱器在制冷站機房內，其它分區的換熱器均放置在自己分區的底部。

優點：管道井較小，制冷站機房占用面積也小，每個分區的壓力小（不超過1.0 MPa），系統安全。

缺點：冷水機組的承壓較高，設備分散，不易管理。

高區的換熱器集中放置于設備層的專用機房

這種分區方式能使熱交換的次數少，從而減少換熱的溫度損失，保證換熱器二次側回水溫度在合理的范圍內。

高區的換熱器集中放置于設備層的專用機房

這種分區方式能使熱交換的次數少，從而減少換熱的溫度損失，保證換熱器二次側回水溫度在合理的范圍內。

采用板式換熱器進行隔離分區的不足之處：

· 板式換熱器價格昂貴，造成一次性投資增大；

· 換熱器一次側與二次側“轉水”后有1℃～2℃的溫升，增加了換熱損失；

· 換熱器二次側冷凍水溫度升高后，必然使高層的空調末端出力下降，要維持同樣的冷量供應，必需加大空調末端設備的容量，否則將延長空調達到其制冷效果的運行時間；

· 對于400m以上的建筑，會在高區出現第2級換熱。第2級換熱器的二次側回水溫度將達到14℃左右，非常接近空氣的溫度，不利于空氣除濕。

設置多個獨立的水系統將建筑物豎向分為2～3個獨立的空調水系統，各自設置冷水機組、循環水泵等設備，從而實現水力隔離。由于每個水區的高度降低，使每個水區承受的靜水壓力也降低。

機房并置于建筑物中部的設備層內，但由于布置冷卻塔要求空間開敞和的安裝面積，故這種方法工程實施中有的困難。

機房分別置于建筑物的底層和頂層

底層系統冷卻塔可布置于裙房屋頂上，頂層系統的冷卻塔可布置于樓頂上，故工程實施較容易。但機房分散，管理不便。

獨立水系統的豎向分區方式，缺點是各系統間相互獨立，冷水機組、水泵等設備均不能互為備用，增大了投資；且在低負荷時，各系統設備均在低負荷下運行，效率降低，能耗增大。