Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pengujian Performa Sistem ...eprints.ulm.ac.id/621/1/KE-41.pdf · penulisan jurnal ini adalah untuk menunjukan performa dari sistem ini di bawah kondisi

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-41

Gambar 1. Global horizontal irradiation di Indonesia [4].

Pengujian Performa Sistem Pendingin Absorpsi dengan Energi Panas Mataharidi Universitas Indonesia Depok

M.I.Alhamid1,a, Harinaldi1,b, Nasruddin1,c, Budihardjo1,d, Arnas Lubis1,f, Yusvardi Yusuf2,e*

1. Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat

2. Jurusan Teknik Mesin Universitas Tirtayasa, Cilegon, [email protected], [email protected], [email protected],[email protected], [email protected], [email protected]

AbstrakSistem pendingin konvensional untuk pengkondisian udara pada bangunan gedung yangmenggunakan fluida kerja serta sumber energi yang dikategorikan tidak ramah lingkungan makabertanggungjawab langsung terhadap efek rumah kaca dan penipisan lapisan ozon. Implementasikonsep baru berlanjut di dalam sistem pengkondisian udara pada bangunan gedung adalah hal yangsangat krusial. Sistem pendinginan absorpsi yang memanfaatkan energi panas matahari (energiterbarukan) memiliki keuntungan, yaitu menggunakan fluida kerja yang ramah lingkungan sepertiair atau berupa larutan garam kemudian sumber energi yang bersih dan ramah lingkungan. Potensienergi matahari yang besar di Indonesia menyebabkan sistem ini sangat memungkinkan untukdiimplementasikan. Oleh karena itu studi mengenai pengujian sistem ini pada kondisi cuaca diIndonesia dilakukan. Selain itu, pada akhirnya, studi ini juga dapat mengetahui besar konsumsienergi keseluruhan dan emisi gas CO2. Pada studi ini dipaparkan hasil pengujian sistem pendinginyang terdiri dari kolektor panas matahari, tangki penyimpanan, backup sumber panas, tower airpendingin, dan mesin pendingin absorpsi LiBr-H2O.

Kata kunci : Pengkondisian udara, sistem absorpsi, chiller absorpsi, energi panas matahari

Pendahuluan

Isu mengenai lingkungan dan jugaberkurangnya jumlah cadangan energi diduniamenjadi perhatian khusus bagi para peneliti

dunia maupun Indonesia. Oleh karena itubanyak penelitian yang mengarah kepadaenergi terbarukan atau pemanfaatan panasbuang sebagai sumber energi. Negara-negaraEropa seperti Spanyol, Jerman dan Inggris

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-41

Gambar 2. Skematik diagram sistem pendingin absorpsi

telah melakukan penelitian mengenai sistempendingin (absorption chiller) yangmemanfaatkan energi matahari [1-3].Penelitian tersebut menunjukan hasil positifbahwa sistem pendingin tersebut dapatbekerja dengan stabil serta memiliki performabaik.

Negara-negara yang terletak di wilayahtropis memiliki keuntungan jumlah energipanas matahari pertahunnya yang lebih besardi bandingkan negara-negara non-tropis.Beberapa negara tropis seperti Thailand danMalaysia telah melakukan penelitian sistempendingin absorpsi yang menggunakan energipanas matahari baik secara simulasi maupunmelakukan pengujian secara langsung [5,6].Indonesia yang letaknya di wilayah tropis dantepat digaris katulistiwa memiliki rata-ratapotensi energi matahari perharinya sebesar4,8 kW/m2 [7] untuk keseluruhan wilayahnya.Sebaran nilai radiasi matahari di seluruhwilayah Indonesia dapat dilihat pada Gambar1. Latar belakang tersebutlah yangmendorong penelitian mengenai sistempendingin absorpsi yang menggunakan energipanas matahari di Universitas Indonesia.

Sistem pendingin absorpsi denganmemanfaatkan energi panas matahari telahdibangun akhir tahun 2013 di UniversitasIndonesia, Depok. Dibangunnya sistem iniadalah untuk mengetahui karakteristik danperformanya terhadap kondisi cuaca diIndonesia serta untuk meningkatkanpenggunaan energi terbarukan guna berperanserta dalam pencegahan kerusakanlingkungan dan penghematan energi. Tujuan

penulisan jurnal ini adalah untuk menunjukanperforma dari sistem ini di bawah kondisicuaca Indonesia.

Deskripsi Sistem

Sistem pendingin absorpsi energi panasmatahari berfungsi untuk mensuplai coolingke gedung MRC (Mechanical ResearchCenter). Gedung ini terdiri dari 5 lantai yangmemiliki fungsi sebagai laboratorium, ruangstaf pengajar, dan ruang rapat. Sistempendingin ini bekerja dari pukul 8:00 pagisampai dengan 5:00 sore.

Sistem ini menggunakan solar collectorberjenis evacuated tubular yang terletak diatas gedung MRC yang memiliki luas total240 m2 (luas apperture 181,04 m2). Hot wateryang dihasilkan oleh collector tidak langsungdialirkan kepada mesin pendingin absorpsitetapi disimpan sementara di dalam tangki hotwater yang memiliki kapasitas volumesebesar 1000 liter guna menjaga konstantemperatur hot water. Mesin pendinginabsorpsi memiliki kapasitas pendinginansebesar 240 kW. Pendistribusian air dinginuntuk gedung dikerjakan oleh FCU (fan coilunit). Untuk membuang panas yangdihasilkan oleh mesin pendingin absorpsimaka digunakan cooling tower berkapasitas443 kW. Pada saat hot water yang dihasilkanoleh collector melebihi 94oC maka panastersebut akan dilepaskan kelingkungan olehradiator. Peralatan pendukung lainnya adalahpompa, katup, dan tabung ekspansi.Pengukuran sistem ini menggunakan DAQ

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-41

yang dapat mencatat data perdetik. Sistem inidikontrol dengan menggunakan perangkatlunak.

Pengukuran dan Perhitungan

Karakteristik dan performa sistem inididapatkan dari hasil pengukuran danperhitungan. Pengukuran temperatur disemuatitik pengukuran menggunakan sensortemperatur jenis thermocouple dan thermistor,untuk sensor radiasi matahari merk Huksefluxkemudian sensor debit merk Azbil. Pengujiandilakukan dengan kondisi sistem seperti yangtertera pada Tabel 1.

Tabel 1.Nilai Satuan

Chilled water outlet temp. 7 oC

Chilled water flow rate 25.7 m3/h

Cooling water inlet temp. 28-34 oC

Cooling water flow rate 68 m3/h

Hot water inlet temp. Up to94

oC

Hot water flow rate 7.8 m3/h

Performa dari sistem ini dihitung denganmenggunakan Pers. 1 sebagai berikut

(1)

Di mana cooling capacity menggunakan Pers.2 yang berasal dari perbedaan temperaturmasuk dan keluar chilled water di evaporatordikalikan laju massa serta specific heat.

(2)

Konsumsi gas dirubah menjadi satuan energidengan Pers. 3

(3)

Besarnya jumlah energi panas matahariyang dapat dimanfaatkan dihitungmenggunakan bentuk Pers. 2 denganperbedaan temperatur hot water yang keluarmasuk mesin pendingin absorpsi kemudiandikalikan debit dan specific heat dari hotwater. Selanjutnya untuk perhitunganbesarnya penghematan energi sertapengurangan emisi gas buang CO2 dihitungdengan Pers. 4 dan Pers. 5.

(4)

Untuk menghitung rasio penguranganbahan bakar gas maka digunakan konsumsibahan bakar ketika mesin hanyamenggunakan gas (dengan nilai COP konstan1.3 berdasarkan rekomendasi KawasakiThermal Engineering).

(Institute forglobal Environmental Strategies) (5)

Pengujian

Data yang ditampilkan pada studi iniadalah hasil pengujian pada tanggal 22September 2014. Gambar 3 menampilkanperubahan temperatur ambient dan radiasimatahari terhadap waktu dimulai pukul 07:00pagi hingga 05:00 sore. Nilai radiasi mataharibergerak naik dari pagi hingga siang haridengan nilai maksimum sekitar 800 W/m2 dankemudian bergerak turun kembali sampaipukul 05:00 sore. Penurunan nilai yang tiba-tiba terjadi karena radiasi matahari yangtertutup oleh awan. Selain itu perubahantemperatur ambient pun hampir sama denganperubahan nilai radiasi matahari dimanamemiliki nilai maksimum sekitar 34 oC.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-41

Gambar 3. Radiasi matahari dan temp.ambient

Berdasarkan kondisi lingkungan padaGambar 3 didapatkan karakteristik dari sistemini yang dapat diperhatikan pada Gambar 4.Sistem ini mulai bekerja pukul 08:00 pagiyang ditandai dengan menurunnya secaradrastis nilai chilled water temperature. Padasaat sistem ini mulai bekerja terlihat jelasbahwa hot water temperature di dalam tangkipenyimpanan sebesar 56 oC. Untukmemanfaatkan hot water maka nilaitemperaturnya harus lebih besar 2 oCdibandingkan dengan temperatur solution didalam mesin. Sehingga kondisi tertentu ataukhusunya pagi hari (kurangnya energi panasmatahari) menyebabkan mesin pendingin inimenggunakan bahan bakar gas untukmencapai cooling capacity. Hot watertemperature terus bergerak naik hingga pukul09:00 pagi. Tanda mulai dimanfaatkannya airpanas dapat dilihat dari penurunan nilaitemperatur solution di high generator. Ketikatemperatur tersebut turun berarti menandakanpenurunan konsumsi bahan bakar gas. Karenajumlah energi panas matahari yang tidakstabil pada setiap waktu maka bahan bakargas berperan penting untuk membuat stabilnilai cooling capacity ditandai dengan naikturunnya nilai temperatur solution di highgenerator. Cooling water temperature terlihatcukup stabil dalam bekerja menyerap panasdari mesin pendingin absorpsi.

Gambar 4. Temperatur hot water, coolingwater, chilled water dan solution

Gambar 5. Energi cooling, pemanfaatanenergi matahari dan energi konsumsi gasGambar 5 menunjukan nilai energi dari

beban pendinginan, energi matahari danbahan bakar gas terhadap waktu.

Hasil dan Diskusi

Berdasarkan pemaparan pada pembahasansebelumnya maka dibuatlah grafik histogramuntuk menggambarkan performa dari sistemini selama bulan September 2014. DariGambar 6 dapat dibuat rata-rata prosentasepenggunaan energi listrik, matahari dan gassecara keseluruhan pada bulan September2014. Prosentasi terbesar adalah gas dengannilai 45% sedangkan energi matahari sebesar40% dan sisanya adalah energi listrik 15%.Jumlah energi listrik yang digunakan berasaldari peralatan-peralatan seperti pompa dankipas cooling tower. Energi listrik tidakdigunakan untuk menghasilkan panas padagenerator di mesin absorpsi. Energi utamamesin pendingin absorpsi adalah energimatahari dan gas.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-41

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

3 4 8 9 10 11 15 17 18 19 22 23 30

kWh

September 2014

Electricity Solar Gas

Gambar 6. Prosentasi total energi keseluruhan

Sedangkan Gambar 7 dapat dilihatperbandingan antara energi input secarakeseluruhan dibandingkan dengan energicooling yang dihasilkan.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

3 4 8 9 10 11 15 17 18 19 22 23 30

kWh

September 2014

Cooling capacity Gas, solar and electricity

Gambar 7. Perbandingan energi input danoutput

Energi matahari merupakan energi yangtersedia secara geratis di alam sehingga dapatdiabaikan sebagai energi input kemudianenergi listrik juga hanya digunakan untukperalatan pendukung seperti pompa dan kipassehingga juga dapat diabaikan, dengandemikian hanya energi gas yang digunakansebagi energi input. Dari Gambar 8 dapatdilihat performa sistem ini. Sistem inimemiliki nilai COP rata-rata sebesar 2.

Berdasarkan Gambar 9 maka dapatdiketahui besarnya jumlah pengurangan emisigas buang CO2 berdasarkan rasiopengurangan bahan bakar gas. Dari datatersebut kemudian dirata-rata maka nilaipengurangan emisi CO2 perharinya adalahsebesar 143.8 kgCO2.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0

150

300

450

600

750

900

1050

1200

3 4 8 9 10 11 15 17 18 19 22 23 30

CO

P

kWh

September 2014

Cooling capacityGasCOP

Gambar 8. COP

0%

25%

50%

75%

100%

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ras

io p

engu

rang

an b

ahan

bak

ar

Pen

gura

ngan

em

isi g

as C

O2,

kg

September 2014

Pengurangan emisi gas CO2

Rasio pengurangan konsumsibahan bakar

Gambar 9. Jumlah pengurangan emisi gasCO2

Kesimpulan

Pengujian sistem pendingin absorpsi yangmemanfaatkan energi panas matahari telahdilakukan pada September 2014. Karakteristikdan performa yang didapatkan belum bisamenarik kesimpulan secara menyeluruhnamun sudah bisa dijadikan sebagai acuanbahwa sistem ini dapat bekerja dengan baikuntuk menyuplai cooling dan dapatmenfaatkan energi matahari hampir setiapharinya. Pada pengujian bulan September2014 diketahui bahwa rata-rata prosentasipenggunaan energi panas matahari perharinyasebesar 40% dari total keseluruhan energikemudian karena pemanfaatan energi panasmatahari tersebut maka nilai rata-rata COPsistem ini perharinya sebesar 2 dan nilai inilebih besar dibandingkan sistem pendinginabsorpsi sejenis tetapi yang konvensional,selanjutnya dengan diketahui nilaipemanfaatan energi matahari maka dapatdiketahui nilai pengurangan emisi gas CO2

sebesar 143.8 kgCO2 perharinya.

Referensi

[1] A. Salman et. al., Solar thermally drivencooling systems: Some investigation resultsand perspectives, Energy Conversion andManagement. 65 (2013) 663-669.[2] A. Francis et. Al., Design andexperimental testing of the performance of anoutdoor LiBr/H2O solar thermal absorptioncooling system with a cold store, SolarEnergy. 84 (2010) 735-744.[3] M. Pedro J. et. al., Design and test resultsof a low-capacity solar cooling system inAlicante (Spain), Solar Energy, 86 (2012)2950-2960.[4] Suri M, Cebecauer T. Global HorizontalRadiation 2015.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-41

[5] Pongtornkulpanich, a. et. al., Experiencewith fully operational solar-driven 10-tonLiBr/H2O single-effect absorption coolingsystem in Thailand, Renewable Energy, 33(2008) 943-949.[6] Assilzadeh, F. et. al., Simulation andoptimization of a LiBr solar absorptioncooling system with evacuated tubecollectors, Renewable Energy, 30 (2005)1141-1159.[7] Ministry of Energy and MineralResources Indonesia. Energy Outlook 2013,Jakarta.

NomenclatureCOP : coeffecient of performance, -

: energi cooling, kW: energi bahan bakar gas, kW: energi bahan bakar gas (campursolar), kW: laju massa, kg s-1

: specific heat, kJ kg-1 K-1

: perbedan temp. In dan out, oC: volume, m3

: low heating value, MJ m-3

: rasio pengurangan emisi gas CO2, -: massa, kg