proceeding seminar nasional tahunan teknik mesin xiv …eprints.ulm.ac.id/598/1/ke-15.pdf ·...
TRANSCRIPT
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
Penggunaan Thermal Energy Storage sebagai Penyejuk Udara Ruangan dan Pemanas Airpada Residential Air Conditioning Hibrida
Azridjal Aziz1,a *, Herisiswanto2,b, Rahmat Iman Mainil3,c,
Eko Prasetyo4,d
1,2,3,4Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau
Jl. Subrantas km 12,5, Pekanbaru, 28293, [email protected], [email protected], [email protected],
AbstrakPenggunaan Thermal Energy Storage (TES) pada Residential Air Conditioning (RAC) di instalasichiller dan pemanfaatan panas buang di kondensor untuk pemanasan air akan mempengaruhikinerja mesin pengkondisian udara. Berbeda dengan sistem konvensional, brine (cairan pendinginsekunder) akan didinginkan di chiller dan kemudian disirkulasikan sebagian menuju TES, sebelumdigunakan (proses charging), selanjutnya brine di TES akan disirkulasikan ke koil pendingin diruangan yang dikondisikan (proses discharging). Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruhpenggunaan TES hibrida sebagai penyejuk udara ruangan dan pemanas air terhadap kinerja mesinpengkondisian udara. Hasil penelitian menunjukkan, terjadi penghematan energi pada penggunaanTES sebagai penyejuk udara ruangan (discharging) dibanding proses konvensional, sekaliguspemanfaatan panas buang kondensor untuk kebutuhan air panas selama proses charging. Penerapansistem TES dan pemanas air pada mesin pengkondisian udara memungkinkan untuk dilakukan,namun terjadi biaya awal investasi yang lebih besar dibanding sistem AC konvensional (standar).
Kata kunci : Thermal Energy Storage, Residential Air Conditioning, discharging, chille
Pendahuluan
Air Conditioning (AC) adalah suatu mesinpendingin sebagai sistem pengkondisi udarayang digunakan dengan tujuan untukmemberikan rasa nyaman bagi penghuni yangberada dalam suatu ruangan/gedung. AC tidakhanya berfungsi untuk memberikan perasaandingin tetapi yang lebih penting adalahmemberikan rasa kenyamanan (comfort airconditioning) yaitu suatu proses perlakuantermodinamik terhadap udara untuk mengatursuhu, kelembaban, kebersihan, danpendistribusiannya secara serentak gunamencapai kondisi nyaman yang dibutuhkanoleh penghuni yang berada di dalamnya [1].
Pada umumnya sistem pengkondisi udarasentral menggunakan sistem chiller. Sistemchiller adalah suatu sistem pendingin yang
menggunakan cairan sebagai media pendingin(umumnya air) pada sistem sekunder dimanaevaporator pada sistem primer mendinginkancairan (chilled water) pada siklus sekunderyang akan digunakan untuk mendinginkanruangan melalui AHU (Air Handling Unit).Pada sistem chiller terjadi prosespengeluaran dan penyerapan panas. Air yangmasuk ke chiller akan didinginkan, dandisirkulasi oleh pompa menuju AHU. Di unitini terjadi proses pertukaran kalor antaraudara dengan air dingin. Udara dingin yangkeluar dari unit ini akan disirkulasi oleh fanmenuju ruangan yang dikondisikan, chillerharus tetap hidup selama unit pengolah udaradijalankan.
Penggunaan energi listrik untuk sistem ACpada bangunan gedung berkisar 45% – 66%
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
energi listrik. Jelas bahwa biaya pemakaianenergi listrik sangat tinggi, sesuai dengankenaikan beban pendinginannya. Penggunaanthermal energy storage pada sistem chillerakan membantu penghematan pemakaianenergi listrik untuk keperluan AC rumah.Berbeda dengan sistem chiller padaumumnya, brine (cairan pendingin sekunder)yang mengalir ke sistem chiller akandidinginkan dan kemudian disirkulasikansebagian menuju AHU dan sebagian lainnyake thermal energy storage. Pada thermalenergy storage terjadi pertukaran kalor antarabrine dengan air atau cairan dalam kemasanplastik (encapsuled ice), dan diharapkansemua air atau cairan dalam kemasan plastik(encapsuled ice) di dalam storage berubahfasa menjadi es. Kemudian siklus sirkulasibrine berubah dari thermal energy storagemenuju unit pengolah udara sedangkan chillerdalam kondisi mati. Pemakaian listrik padasaat itu hanya untuk menghidupkan pompasaja. Oleh karena itu waktu kerja Chiller perludisesuaikan dengan waktu kerja thermalenergy storage sehingga diharapkanpemakaian listrik dapat seminimal mungkin(Energy Efficient). Idealnya pada jam – jampuncak (on peak) chiller tidak dinyalakandan beban pendinginan diatasi oleh thermalenergy storage, akibatnya pemakaian listrikpada jam puncak berkurang [2].
Untuk mengoperasikan mesin refrigerasidibutuhkan refrigeran sebagai fluida kerja.Refrigeran yang paling banyak digunakanadalah refrigeran halokarbon (halogenatedrefrigerant) salah satunya adalah jenis HCFC-22 (Hydrochlorofluorocarbon) atau R-22 [3].Refrigeran halokarbon R-22 menunjukkansifat yang berdampak buruk terhadaplingkungan dapat merusak lapisan ozon danberpotensi pemanasan global, sehinggapenggunaan refrigeran tersebut dicanangkanuntuk dihapuskan pembuatan danpemakaiannya [4].
Salah satu refrigeran alternatif penggantirefrigeran halokarbon R-22 adalah refrigeranhidrokarbon (hydrocarbon referigerant).Beberapa kelebihan yang dimiliki refrigeranhidrokarbon subsitusi R-22 yaitu dapatdigunakan sebagai pengganti langsung (dropin substitute) tanpa penggantian komponen,ramah lingkungan (tidak merusak lapisanozon), pemakaian refrigeran lebih sedikit,hemat energi, dan memenuhi standarinternasional [5].
Chiller lebih umum digunakan padabangunan gedung, pusat perkantoran danpusat perbelanjaan. Penggunaan chiller dibangunan rumah (residential) masih sangatsedikit dilakukan, umumnya rumahmenggunakan beberapa AC split untukbeberapa ruangan rumah yang perludisejukkan. Penggunaan chiller berbasismesin pendingin kompresi uap menggunakanhydrocarbon refrigerant yang ramahlingkungan yang dikombinasikan denganpenggunaan Encapsulated Ice ThermalEnergy Storage di bangunan rumah yangmenggunakan lebih dari 1 AC split dapatmenghemat penggunaan energi listrik (EnergyEfficient) [6-10]. Tujuan dari penelitian iniadalah untuk mengetahui pengaruhpenggunaan TES hibrida sebagai penyejukudara ruangan dan pemanas air terhadapkinerja mesin pengkondisian udara residential(Residential Air Conditioning) hibrida.
Metode Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam beberapatahapan yaitu tahap persiapan penelitianberupa studi literatur terhadap konsep sistempendingin kompresi uap yang menggunakanrefrigeran hidrokarbon subsitusi R-22, dankombinasi dengan konsep encapsulated icethermal energy storage untuk sistempengkondisian udara (AC) rumah.Selanjutnya tahap rancangan prototipe sistem,tahap pembuatan prototipe sistem, tahap kajieksperimental dan pengumpulan data, tahapanalisis data, kemudian terakhir adalah
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
pernyataan hasil yang dapat disimpulkan daripenelitian ini.
Instalasi Alat Uji
Gambar 1. Instalasi Alat Uji MesinRefrigerasi Kompresi Uap Hibrida dengan
sistem Thermal Energy Storage menggunakanEncapsulated Ice Pack
Instalasi ini merupakan instalasi mesinpendingin kompresi uap hibrida yangberfungsi sebagai mesin pendingin padalemari pendingin dan pompa kalor padalemari pengering. Untuk instalasi siklusprimer ( siklus refrigeran) , kompressor, sightglass, filter drier, katup ekspansi, kondensordan evaporator ditempatkan di atas mejadudukan. Sedangkan koil pendingin, koilpemanas, pompa air sirkulasi, ditempatkan dibagian bawah meja dudukan alat.
Hasil dan Pembahasan
Massa Optimum Refrigeran HidrokarbonHCR-22
Daya Evaporator - Massa Refrigeran
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
280 320 360 400 440 480 520Massa Refrigeran (gram)
Day
a Ev
apor
ator
Gambar 2. Grafik massa refrigeran HCR-22optimum dan daya evaporator
Penggunaan refrigeran HCR-22 massarefrigeran lebih hemat 51,2 persen dari massarefrigeran R-22 [8]. Pada gambar 2 terlihatbahwa massa refrigeran optimum HCR-22sebesar 440 gram pada COP 2,221. Setelahpenambahan massa refrigeran COP cenderungturun, hal ini disebabkan massa refrigeranyang bertambah mengakibatkan dayakompresor meningkat. Hal ini menyebabkanCOP mesin menurun karena adanya pengaruhpeningkatan daya kompresor. COPmerupakan perbandingan atau rasio antaradaya pendinginan di evaporator dibandingkanterhadap daya kompresor yang menggerakkanmesin pendingin.
Proses Charging
Pada gambar 3 dapat dilihat dampakpendinginan rata-rata dari HCR-22 adalah1,151 kW, dampak pemanasan rata-rata 7,502kW dengan daya kompresor rata-rata 0,754kW. COP rata-rata dari mesin pada prosesCharging adalah 1,528, PF rata-rata adalah9,945 dan Tp rata-rata adalah 11,473.
Tampak di sini bahwa pola kecendrunganGambar 3 dan Gambar 4 memilikikecendrungan yang sama, hal ini karena COP,PF maupun TP merupakan rasio daya padaevaporator atau panas yang dimanfaatkan dikompresor terhadap kerja kompresor secarakeseluruhan.
Dampak Pendinginan, Dampak Pemanasandan Kerja Kompresor
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
Waktu
KW
PendinginanPemanasanKerja Kompresor
Gambar 3. Dampak pendinginan, dampakpemanasan dan kerja kompresor
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
COP, PF dan TP
0.0002.0004.0006.0008.000
10.00012.00014.00016.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
Waktu
Satu
an
COPPFTP
Gambar 4. COP, PF dan TP mesin refrigerasihibrida dengan Thermal Energy Storage (Ice
Storage)
Tekanan Kondensor dan Evaporator
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Waktu
Psi
Tekanan EvaporatorTekanan Kondensor
Gambar 5. Tekanan kondensor dan evaporator
Tekanan kerja pada kondensor danevaporator seperti tampak pada Gambar 5adalah tekanan rata-rata kondensor 245 psidengan tekanan evaporator rata-rata 38 psi.Tekanan kerja evaporator cenderung turundari tekanan standarnya yaitu 70 psi, hal initerjadi karena temperatur di tangki evaporator/water chiller berada pada temperatur rata-rata-6 oC, sedangkan tekanan standar pada sistemrefrigerasi berada temperatur rata-rata 10 oC.
Temperatur Air Panas Kondensor dan RuangPengering/Pemanas
0.000
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
Waktu
Tem
pera
tur
o C
T Hot WaterT Drying Room
Gambar 6. Temperatur ruangpengering/pemanas dan temperatur air panas
di tangki kondensor
Pada Gambar 6. dapat dilihat rata-ratatemperatur air panas adalah 49,7 oC dengantemperatur ruang pengering/pemanas padatemperatur 40,7 oC. Temperatur ini diperolehpada tekanan kondensor rata-rata 245 psi.Selisih antara temperatur air panas dantemperatur ruangan berkisar 10 oC, selisih initerjadi karena adanya rugi-rugi kalor/panassaat terjadinya proses pertukaran kalor dandistribusi air panas di koil pemanas di ruangpemanas/pengering.
Temperatur temperatur air dingin rata-ratadi evaporator adalah -5,8 oC dengantemperatur terendah pada -7,5 oC, sedangkantemperatur air dingin di Ice Storage rata-rata -2,6 oC dengan temperatur terendah -4,9 oC(Gambar 7). Temperatur tersebut didapatkanpada tekanan rata-rata evaporator 38 Psi.
Temperatur Air Dingin Evaporator danTemperatur Ice Strorage (TES)
-9.000-8.000-7.000-6.000-5.000-4.000-3.000-2.000-1.0000.0001.0002.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
11012
013
014
015
0
Waktu
Tem
pera
tur
o C
Ice StorageWater Chiller
Gambar 7. Temperatur air dingin dievaporator dan temperatur Ice Storage
Proses DisCharging
Pada Gambar 8 kondisi temperatur yangdiperoleh pada proses discharging, temperaturterendah pada ice storage perlahan-lahan naikseiring terjadinya pertukaran kalor antara airdingin di koil pendingin di ruang pendingindengan temperatur di ruang pendingin. Prosespendinginan pada saat disChargingberlangsung selama 170 menit, dimana prosespendinginan di evaporator saat Chargingberlangsung selama 150 menit, sehinggaterdapat penghematan penggunaanpendinginan selama 20 menit, ataupenghematan daya kompresor dikurangi daya
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
pompa sebesar 0,6 kW. Penggunaanrefrigeran hidrokarbon HCR-22 juga dapatmenghemat daya kompresor sekitar 25% -30%, sehingga terjadi penghematan energiyang cukup berarti pada sistem Ice Storage.
Temperatur Ruang pendingin dan Temperatur Ice Strorage(TES)
-9-6-30369
121518212427303336
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
160
170
Waktu
Tem
pera
tur
o C T Cold RoomT Ice StorageT SurrdT Cold Rooml INT Cold Room OUT
Gambar 8. Temperatur ruang pendingin dantemperatur Ice Storage
Proses Konvensional/Evaporator Chiller
Pada gambar 9 dapat dilihat dampakpendinginan rata-rata dari HCR-22 adalah3,383 kW, dampak pemanasan rata-rata 8,847kW dengan daya kompresor rata-rata 0,748kW.
Dampak Pendinginan, Dampak Pemanasandan Kerja Kompresor
0.0002.0004.0006.0008.000
10.00012.000
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
160
170
180
Waktu
KW
PendinginanPemanasanKerja Kompresor
Gambar 9. Dampak pendinginan, dampakpemanasan dan kerja kompresor
COP rata-rata dari mesin pada prosesCharging adalah 4,544, PF rata-rata adalah11,315 dan Tp rata-rata adalah 15,859.Tampak di sini bahwa pola kecendrungangambar 9 dan gambar 10 memilikikecendrungan yang sama, hal ini karena COP,PF maupun TP merupakan rasio daya padaevaporator atau panas yang dimanfaatkan dikompresor terhadap kerja kompresor secarakeseluruhan.
COP, PF dan TP
0.000
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
10 20 30 40 50 60 70 80 9010011
012
013
014
015
016
017
018
0
Waktu
Satu
an
COPPFTP
Gambar 10. COP, PF dan TP mesinrefrigerasi proses konvensional
Tekanan kerja pada kondensor danevaporator seperti tampak pada Gambar 11adalah tekanan rata-rata kondensor 245 psidengan tekanan evaporator rata-rata 39 psi.Tekanan kerja evaporator cenderung turundari tekanan standarnya yaitu 70 psi, hal initerjadi karena temperatur di tangki evaporator/water chiller berada pada temperatur rata-rata -3 oC, sedangkan tekanan standar padasistem refrigerasi berada temperatur rata-rata10 oC.
Tekanan Kondensor dan Evaporator
0
50
100
150
200
250
300
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
160
170
180
Waktu
Psi
Tekanan EvaporatorTekanan Kondensor
Gambar 11. Tekanan kondensor danevaporator
Pada Gambar 12 dapat dilihat rata-ratatemperatur air panas adalah 49,3 oC dengantemperatur ruang pengering/pemanas padatemperatur 40,7 oC. Temperatur ini diperolehpada tekanan kondensor rata-rata 245 Psi.Selisih antara temperatur air panas dantemperatur ruangan berkisar 10 oC, selisih initerjadi karena adanya rugi-rugi kalor/panassaat terjadinya proses pertukaran kalor dan
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
distribusi air panas di koil pemanas di ruangpemanas/pengering.
Temperatur Air Panas Kondensor dan RuangPengering/Pemanas
0
10
20
30
40
50
60
10 30 50 70 90 110
130
150
170
Waktu
Tem
pera
tur
o C
T Hot WaterT Drying Room
Gambar 12. Temperatur ruangpengering/pemanas dan temperatur air panas
di tangki kondensor
Temperatur Air Dingin Evaporator
-13-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10123
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
110
120
130
140
150
160
170
180
Waktu
Tem
pera
tur
o C
Water Chiller
Gambar 13. Temperatur air dingin dievaporator pada proses konvensional
Temperatur temperatur air dingin rata-ratadi evaporator adalah -3,4 oC dengantemperatur terendah pada -11,7 oC, sepertidapat dilihat pada Gambar 13. Sedangkantemperatur ruang dingin rata-rata adalah 26,6oC seperti dapat dilihat pada Gambar 14.
Temperatur Ruang pendingin pada proses konvesional
0369
121518212427303336
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101
111
121
131
141
151
161
Waktu
Tem
pera
tur
o C
T Cold RoomT SurrdT Cold Rooml INT Cold Room OUT
Gambar 14. Temperatur ruang pendingin padaproses konvensional
Kesimpulan
Berdasarkan hasil kajian dapat diambilkesimpulan bahwa massa refrigeranhidrokarbon HCR-22 yang digunakan padasistem adalah sebesar 440 gram pada COP2,221 dengan daya kompresor 0,526 kW.
Terjadi penghematan waktu pendinginanselama 20 menit antara proses Charging danproses DisCharging, dengan penghematandaya listrik untuk operasional sistem 0,6 kW.Pada proses Charging terjadi pemanfaatanpanas buang kondensor untuk keperluanpemanasan (energy efficient). Terjadipemanfaatan panas buang untuk keperluanpemanasan (energy efficient), pada proseskonvensional selama proses pendinginanberlangsung.
Penambahan koil pemanas dummymenjaga kestabilan kerja sistem padapemanfaatan panas buang untuk keperluanpemanasan. Penerapan sistem ice storageuntuk keperluan pendinginan di rumah tanggamemungkinkan untuk dilakukan, namunterjadi biaya awal investasi yang lebih besardibanding sistem AC Split standar.
Referensi
[1] W.F. Stoecker, dan J.W. Jones,Refrigerasi dan Pengkondisian Udara,Erlangga1994, Jakarta.[2] Soejono Tjitro dan Herry Sunandar, ,Pemakaian Thermal Storage pada SistemPengkondisi Udara, Jurnal Teknik Mesin, 1(1999) 19-23.[3] Agarwal, Radhey S., Retrofitting ofDomestic and Small Capacity CommercialRefrigeration Appliances Using HydrocarbonBlends, Proceedings Seminar on ODS Phase-Out: Solutions for the Refrigeration Sector,Kuta, 1997.[4] Pasek, A.D.,Tandian, N.P., AdriansyahW., Training of Trainer RefrigerationServicing Sector, Training Manual, ITB,Bandung, 2004[5] A.D. Pasek dan N.P. Tandian, , ShortCourse on the Applications of HydrocarbonRefrigerants, International Conference on
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-15
Fluid and Thermal Energy Conversion 2000,Bandung, 2000.[6] Hauer, Andreas, Innovative ThermalEnergy Storage Systems for Residential Use,Bavarian Center for Applied EnergyResearch, ZAE Bayern, 2008.[7] Azridjal Aziz dan Afdhal KurniawanMainil, Penggunaan Encapsulated IceThermal Energy Storage Pada Residential AirConditioning Menggunakan RefrigeranHidrokarbon Substitusi R-22 Yang RamahLingkungan, Jurnal Teknik Mesin, 7 (2010)92-98.[8] Azridjal Aziz, Kinerja PerangkatPengkondisian Udara Siklus Kompresi UapHibrida pada Massa Refrigeran HidrokarbonHCR22 Optimum, Jurnal Sains danTeknologi, 6 (2006) 1-11.[9] Komang Metty Trisna Negara, HendraWijaksana, Nengah Suarnadwipa, dan MadeSucipta, Analisa Performansi SistemPendingin Ruangan dan Efisiensi EnergiListrik pada Sistem Water Chiller denganPenerapan Metode Cooled Energy Storage,Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Cakra, 4 (2010)43-50.[10] Shaowei Wang, Zhenyan Liu, Yuan Li,Keke Zhao, dan Zhigang Wang, Experimentalstudy on split air conditioner with new hybridequipment of energy storage and water heaterall year round, Energy Conversion andManagement, 46 (2005) 3047–3059.