集中空调水系统两管制和四管制形式及其演变

在集中空调水系统的管路设计有3种形式，即两管制、三管制和四管制。其中两管制是比较普遍采用的一种系统形式。三管制因缺点突出，理论和应用上可行性都不大，本文不作过多讨论。四管制从理论上来说是一种理想的系统形式，但在实际工程中应用不多。近来，有关调查和资料显示，围绕四管制系统出现了一种有趣的现象：一些原先设计了四管制系统的建筑，正在或准备将四管制改为两管制，而一些新建的建筑，设计采用四管制系统的比例明显提高。这一现象反映了业内对两管制和四管制的认识出现了一定的分歧。本文结合分析上述现象的原因，对两种管制的优缺点进行了审视和探讨，并在此基础上重点分析分区两管制系统的特点及几种演变形式。旨在与暖通专业技术人员交流，以提高空调系统设计的经济性和合理性，使之更好地适应现代建筑的特点和要求。

1 两管制系统的特点和局限性

两管制系统冷、热水共用一套管路系统，节省初投资和建筑空间：系统简单，只在机房内进行冷、热水切换，运行管理方便：但该系统不能同时提供冷、热水，在建筑进深较大，内、外区负荷或不同朝向负荷差异较大时无法调节，冬季建筑内有局部供冷要求时无法满足。

随着经济的发展和社会的进步，现代建筑日益呈现出一些不同于以前的特点：①单体建筑体量不断加大，进深越来越深，导致内外区空调负荷不同的矛盾日益突出，冬季在外区供热的同时内区却存在大量的余热；②随着计算机和信息产业的迅猛发展，建筑内部出现了越来越多的大型计算机站房，对空调系统提出了全年供冷的要求；

建筑标准越来越高，功能越来越全。一方面对舒适度的要求不断提高，另一方面为满足各种不同功能的区域对温湿度的要求，空调系统被更多地要求同时提供冷热水。

现代建筑的上述特点，使得两管制空调水系统的局限性显露出来。这也是在新建筑里采用四管制日渐增多的主要原因。

2 四管制系统及其特点

四管制系统内所有末端设备中的冷、热盘管均独立工作，冷水和热水可同时独立送至各末端设备，各末端设备可独立选择供热或供冷模式，独立控制温度等参数。但冷、热水各具一套独立的管路系统和末端设备，会加大系统的初投资。另外因占用较多的建筑空间，还可能提高建筑成本。四管制系统由于管路较多，设计较为复杂，运行和管理也相对复杂。由于上述原因，这种系统应用较少。只有在投资者特别注重提高建筑标准，经济因素相对宽松时方可采用。

对于过去曾安装了四管制而现在打算改为两管制的工程，经调查原因有两个：一是从管理人员到客户都习惯于空调系统冬季供热、夏季供冷、过渡季停开的运行模式，这些四管制系统大部分在按两管制系统运行；二是有些四管制的管路系统并不完全独立，容易因为阀门泄漏或工人误操作导致冷热水混合，轻则浪费能量，重则损坏设备。因此有必要提醒的是，如果采用四管制系统，设计管路系统时最好能完全独立，冷热水之间有相连的阀门时一定要采用优质产品。从管理上要注意提高管理人员的素质，明确区分冷热水管路，避免误操作。

3 分区两管制系统及其演变

为了克服两管制系统调节功能差的缺点，同时又不像四管制那样增加很多的投资，出现了一种分区两管制系统，如图1所示。其基本特点是根据建筑内负荷特点对水系统进行分区，当朝向对负荷影响较大时，可按照朝向进行分区；当建筑内区较大时，可进行内外分区。各个分区内管路系统仍为两管制，但各区有独立的冷、热水干管，以保证各区内的末端设备可独立选择供冷或供热模式。

这种系统兼具了两管制和四管制的一些特点，其调节性能介于四管制和两管制之间。因为从调节范围来看，四管制系统是每台末端设备独立调节，两管制系统只能整个系统一起进行冷、热转换, 而分区两管制系统则可实现不同区域的独立控制。

分区两管制系统设计的关键在于合理分区。

如分区得当，可较好地满足不同区域的空调要求，其调节性能可接近四管制系统。关于分区数量，分区越多，可实现独立控制的区域的数量越多，但管路系统也就越复杂，不仅投资相应增多，管理起来也复杂了，也就有违采用分区两管制的初衷。因此建议设计时要认真分析负荷变化特点，以一种分区方法为主，必要时可兼顾其它方面的因素。这样一般情况下分两个区就可以满足需要了。如果在一个建筑里，因内外区和朝向引起的负荷差异都比较明显，也可以考虑分3个区。如果此外还有别的因素(如建筑内某些区域要求常年供冷)，需要设计超过3个以上的分区，要同四管制进行经济技术比较后才能确定。这种情况下笔者建议按照负荷变化特点来分区。将负荷分为3类，其中A类负荷不受外界扰量变化影响，常年为冷负荷(如常年连续工作的计算机房或有连续发热设备的内区等)；B类负荷受外部扰量影响较大，冬季为热负荷，过渡季节可能转变为冷负荷(如建筑的外区、南向的房间等)；C类负荷受外部扰量影响较小，受内部扰量影响较大，冬季以冷负荷为主但可能出现热负荷(如建筑的内区或有间断发热设备的区域等)。

把冷、热水转换阀门设在不同的位置，所设计出来的分区两管制系统又会有所不同。为了便于分析，假定设计一套有内、外两个分区的空调水系统，把转换阀门分别放在：①机房内；②干管各立管分支上；③立管接各层水平分支管上，结果如图2，3，4 所示。把这3 种系统分别列为方案1，2，3，分析其优缺点。

方案1  转换阀门放在机房内，从机房内接出两套供回水干管，即内区供回水干管和外区供回水干管，分别接内区的立管和外区的立管，内外区可分别独立选择供冷或供热模式。这种系统最大的优点是便于管理，冷热转换全部在机房内完成，手动或自动均可。另外管路系统简单明了，接近于两管制系统。投资增加很少或没有增加。缺点是内区或外区的末端设备只能同时选择一种模式，不能像四管制那样每台末端设备独立选择工作模式。这种系统适用于负荷受单一扰量( 内扰或外扰) 影响较大，变化特点比较鲜明的建筑。

方案2  将冷、热水供回水干管分别接出机房，而将冷热水转换阀门放在各立管与干管接管的分支处。虽然各个立管仍同方案1一样分别为内区和外区的末端设备供水，但如果内外区分别有两个以上的立管，每个立管就可以独立选择工作模式。同方案1相比，调节性能有了改善，但因转换阀门分布比较分散，不便于管理。从经济性来说，管路本身投资不见得比方案1多，但转换阀门应以电动调节阀为主，因此会增加一些投资。这种系统适用于负荷受双重扰量影响，变化较为复杂但仍有一定规律性的建筑。

方案3  分别将冷、热水通过干管、立管送至建筑各层，冷热水转换阀门放在各层末端设备接立管的分支处。这种系统除了末端设备的盘管是冷热共用外，管路系统已经十分接近四管制系统。同方案1，2 相比，可独立调节的区域更小，调节性能更好，但从投资和占用建筑空间方面来说已经接近四管制。从管理方面看，如果末端设备全为风机盘管，则冷热转换和调节可由客户自行完成，否则会比较复杂。由于与四管制相比节约有限，故一般不推荐采用此种系统。

4 分区两管制的相关技术问题

分区两管制系统是为了解决建筑内不同区域有不同的空调负荷要求(供冷和供热) 而设计的，这种情况大多出现在过渡季和冬季。这时虽然部分区域有冷负荷，但因负荷较小可能出现如下两种情况：一是负荷小或冷却水温度过低达不到冷水机组开机的要求，二是虽然能够开机，但冷水机组频繁启停，系统不能稳定工作。要解决这个问题，采用冷却塔供冷技术是一个比较好的办法。图5所示为冷却塔供冷系统原理图。

冷却塔供冷技术不仅较好地解决了上述问题，还充分利用了过渡季(或冬季) 室外免费冷量，实现了系统的节能运行。北京的中银大厦、东方广场等项目已经采用了此种技术。

变风量空调系统是另外一种常与分区两管制系统结合使用的技术，一般用于空调系统按内外区分区的情况下。采用这种系统的优点在于过渡季可以加大新风量，充分利用室外空气冷量来消除室内余热。因控制方便，同分区两管制系统相结合，不仅能够保证系统良好的调节能力，还可以节能。根据有关资料介绍，在京沪等地一些大型建筑里已经较多地采用了变风量系统，其经济和技术上的优势正逐步得以体现。

5 结论

5.1 分区两管制系统与现行两管制系统相比，其初投资和占用建筑空间与两管制系统相近，在分区合理的情况下调节性能与四管制系统相近，是一种既能有效提高空调标准，又不明显增加投资的方案。

5.2 分区两管制系统设计的关键在于根据负荷特点合理分区。

5.3 分区两管制系统设计与相关空调新技术相结合，可以使空调系统更加经济合理。