水冷式中央空调是经典的中央空调系统形式，包含了空调制冷的三大循环系统，制冷剂系统、冷冻水系统以及冷却水系统。
水冷式中央空调系统，制冷机组自身为一个完整的制冷剂循环系统，并在蒸发器侧与冷冻水换热，由冷冻水系统载冷并输送给用户制冷，在冷凝器侧与冷却水换热，由冷却水系统载热并通过冷却塔向外部大气排放热量。
一、制冷剂循环系统冷水机组的制冷剂循环系统，目前大多采用压缩式的电制冷方式，在有合适热源或者特殊需求下，也有使用吸收式的制冷方式。
两种方式，都是利用制冷剂液体的汽化吸热特性进行制冷。
冷水机组的压缩式制冷，主要部件就是制冷四大件，压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，其基本工作原理如下：压缩机从蒸发器抽取低温低压的制冷剂蒸汽，压缩为高温高压蒸汽，进入冷凝器，放热冷凝为中温液体，放出的热量换热给外部冷却水带走。
中温高压的制冷剂液体，经膨胀阀节流降压为低温低压液体，进入蒸发器，吸热蒸发为低温低压蒸汽，吸收的热量取自外部冷冻水，从而使冷冻水降温，再输送到用户设备用于制冷。
水冷式空调一般应用于大中型的空调系统，因此多使用螺杆式和离心式冷水机组，并且蒸发器和冷凝器通常使用卧式壳管式换热器，以用于大容量制冷剂与冷冻水和冷却水的换热。
二、冷却水循环系统冷却水系统的主要设备，由冷水机组的冷凝器供给要排出的冷凝热，由冷却水泵驱动水循环输送，再由冷却塔以蒸发冷却的方式向外部大气排热。
冷却塔分为开式和闭式，开式冷却塔直接用冷却水喷淋并经循环风蒸发冷却，闭式冷却塔则将冷却水封闭在盘管内，使用外部循环水喷淋冷却。
常用的开式冷却塔分为逆流圆塔、逆流方塔以及横流式方塔，闭式冷却塔也根据喷淋水和循环风的交叉方式分为逆流和横流。
三、冷冻水循环系统冷冻水系统的主要设备，由冷水机组将冷冻水降温，由冷冻水泵驱动水循环输送，再由末端空调设备向用户供冷。
末端空调设备的形式一般为风机加盘管的形式，由风机驱动室内空气循环，强制空气流动以加强与盘管的换热，冷却后的空气用于向室内供冷。
风机盘管是典型的末端空调设备，而其它的空调箱乃至组合式空调机组，则是在“风机+盘管”的基础上，增加了过滤、加湿、再热以及热回收等功能段，以完成温湿度、洁净度等方面更多或更高的要求。
四、系统设计内容水冷式中央空调的设计，一般分为三部分，制冷机房包括室外冷却塔的设计，输送管网包括水平和垂直干管的设计，末端设备机组的布置包括冷凝水系统的设计，以及相应的控制系统的设计。
设计中应包含，水系统的垂直分区和水平分区，冷却水和冷冻水的水处理方式，以及补水定压方式。
通常的补水定压方式，是在制冷机房内设置闭式膨胀水箱加补水泵，小型系统可依据条件采用高位开式膨胀水箱，超大型的可采用变频补水泵。
此外，冬季空调时需要另外配置热水