LAPORAN PRAKTIKUM KONSERVASI ENERGI HVAC atin g Venti Venti lating Ai r Conditioni ng) (H eatin Oleh: Yoseph Maulana NIM 111711032
JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BADUNG 2014
HVAC (H eating Venti latin g Ai r Conditi oning)
1.1
Tujuan
1. Memahami kelakuan HVAC 2. Mampu membuat profil energi sistem HVAC 3. Mampu menentukan kinerja sistem HVAC 4. Mampu menentukan baseline sistem HVAC 5. Mampu menganalisa peluang penghematan, retrofitting dan analisa ekonomi 6. Mampu memberikan rekomendasi 1.2
Dasar Teori
Heat pump merupakan alat yang mentransfer energi dari sumber panas (heat source) ke heat sink melawan gradien temperatur. Heat pump dirancang untuk memindahkan energi panas berlawanan dengan arah aliran panas spontan. Sebuah heat pump menggunakan sejumlah energi eksternal untuk mencapai transfer energi termal yang diinginkan dari heat source ke heat sink, melalui sebuah siklus kompresi uap.
Gambar 1 Skema Siklus Kompresi Uap
Prinsip kerja H eat Pump/HVA C :
Prinsip kerja heat pump/HVAC adalah berdasarkan siklus kompresi uap (lihat gambar). Temperatur pengembunan dan penguapan suatu zat bergantung pada tekanan. Makin tinggi tekanan, semakin tinggi juga temperatur penguapan maupun pengembunan. Refrigeran yang sudah berupa uap di titik (1) dikompresi hingga ke kondisi (2) menjadi uap bertekanan dan temperatur tinggi. Selanjutnya memasuki kondensor dan kontak dengan air sehingga akan melepas panas ke heat sink. Refrigeran pada titik (3) sudah berada dalam kondisi cair dan bertemperatur rendah. Selanjutnya masuk ke tahap ekspansi dan mengalami penurunan tekanan (4). Cairan refrigeran ini selanjutnya menyerap panas dari lingkungan (heat source) di sisi evaporator dan menjadi uap kembali. Pertukaran panas dengan lingkungan
inilah
yang
dimanfaatkan
sebagai
sistem
pendinginan
atau
pengkondisian udara. Sebenarnya siklus kompresi uap ini dapat dimanfaatkan di dua sisi, yaitu sisi kondensor untuk pemanasan, dan sisi evaporator untuk pendinginan. Dalam praktikum
ini,
hal
yang
menjadi
fokus
adalah
pada
sistem
pendinginan/pengkondisian udara/HVAC. Perhitungan kinerja sistem HVAC diamati melalui pertukaran energi di area evaporator dan input energi di kompresor. Kinerja sistem HVAC dinamakan dengan Coefficient Of
Performance (COP). Berikut adalah persamaan untuk
menghitung COP pendinginan/refrigerasi (AC).
Energi evaporator + Energi kompresor = Energi kondensor
Energi evaporator = m . ∆H = 0.083 (ρ u . ∆P)0.5 (H1-H2)
m=V.ρ
ρ = 1/Vs
Energi kondensor = m . Cp . ∆T
Pada alat heat pump/HVAC yang akan digunakan untuk praktikum, Cussons P5670, fluida kerja yang digunakan adalah Freon 12 (R12). Gambar skematik alat disajikan pada ilustrasi berikut.
TA3 TA4 7 EVAPORATOR
AIR
AIR FAN
AIR HANDLING UNIT 6 P5
TA1 TA2
5 TF6
TF5 SOLENOID VALVE
CONDENSATE DRAIN
ORIFICE
THERMOSTATIC EXPANSION VALVE
SIGHT GLASS
P7 FLOWMETER F1
TF7
TF4 4
7 WATER HEAT EXCHANGER
TF8 8
FLOWMETER F2
V107 3
3
V105
CUTOUT SWITCH HP/LP
TF1 P1
1
2
V104
P2
TW7
TW8
V102
FILTER/ DRIER
TF3
V101
TF2
V103
COMPRESSOR
Gambar 2. Skematik Sistem HVAC Cussons P5670
PSV C O N D E N S E R
Adapun standar untuk sistem HVAC adalah sebagai berikut: Tabel 1 Standar ASHRAE Mengenai Pengkondisi Udara Equipment type Air cooled, with condenser, electrically operated Air cooled, with condenser, electrically operated Water cooled, electrically operated, positive displacement (reciprocating) Water cooled, electrically operated, positive displacement (rotary screw and scroll)
Size category
Minimum efficient
Test Procedure
< 150 tons
2,8 COP 3,5 IPLV
ARI 550/590
All capacities
3,10 COP 3,45 IPLV
ARI 550/590
All capacities
4,20 COP 5,20 IPLV
ARI 550/590
<150 tons ≥150 tons - < 300 tons ≥300 tons <150 tons
Water cooled, electrically operated, centrifugal
≥150 tons - < 300 tons ≥300 tons
Air cooled absorption single effect Water cooled absorption single effect Absorption double effect, Indirect fired Absorption double effect, direct fired
4,45 COP 5,20 IPLV 4,90 COP 5,60 IPLV 5,5 COP 6,15 IPLV 5,0 COP 5,25 IPLV 5,55 COP 5,90 IPLV 6,1 COP 6,40 IPLV
All capacities
0,6 COP
All capacities
0,6
All capacities All capacities
Keterangan: COP = kW of cooling/kW
1 COP 1,05 IPLV 1 COP 1 IPLV
ARI 550/590
ARI 550/590
ARI 560
1.3
Peralatan dan Bahan
Sistem HVAC Cussons P5670
Pompa Air
Kapasitor … microfarad
1.4
Prosedur
Praktek KE sistem HVAC dilakukan dengan mengukur karakteristik sistem HVAC dengan membandingkan kondisi awal dan kondisi dengan pemasangan kapasitor untuk arus bolak-balik.
(a) Rangkaian 1
(b) Rangkaian 2 Gambar 3. Rangkaian
Gambar 4. Rangkaian dengan (menunjukkan) HE
1. Buat rangkaian pengukuran sesuai dengan gambar 2. Pasang alat ukur yang telah di setting pada kondisi beban 3. Sambungkan dengan sumber listrik, dan biarkan hingga steady state (+ 10 menit) 4. Setting pada temperatur terendah 5. Lakukan pengukuran sesuai dengan tabel data 6. Switch off sambungan dari sumber listrik 7. Prosedur yang sama pada butir 1 s/d 3 sesuai dengan target retrofitting yang tersedia
1.5
Data Pengamatan
1. Kondisi awal (tanpa kapasitor) Tabel 2 Data Pengamatan Pada Kondisi Awal Waktu (menit ke-)
0
5
10
15
Laju alir refrigran (L/menit) F1
2
2
2
2
Laju alir air (L/menit) F2
12
12
12
12
Daya (Watt)
1064
1063
1068
1073
25
26
26
26
25
26
26
26
24
24
24
24
23
23
23
23
25
25
25
25
27
27
28
28
23
23
23
24
93
95
97
97
30
30
31
31
30
30
31
31
23
23
23
23
0
1
2
4
20
20
20
20
Tf8 ( C)
22
22
22
22
P1 (bar)
0,5
1
1
1
P2 (bar)
7
7
7
7
P5 (bar)
6
6,5
6,5
6,5
P7 (bar)
1
1
1
1
ODP (mm)
15
17
17
15
Laju alir udara (in)
13,4 6,5 59 23,3
13,3 6,5 59 22,3
12,2 6,7 59 22,1
12,6 6,5 59 22,3
o
Tdbin ( C) o
Twbin ( C) o
Tdbout ( C) o
Twbout ( C) o
TWin ( C) o
TWout ( C) o
Tf1 ( C) o
Tf2 ( C) o
Tf3 ( C) o
Tf4 ( C) o
Tf5 ( C) o
Tf6 ( C) o
Tf7 ( C) o
Laju alir udara (out) RH (%) suhu lingkungan (⁰C)
Catatan: start pengukuran setelah kondisi steady state
2. Menggunakan kapasitor Tabel 3. Data Pengukuran Setelah Pemasangan Kapasitor
Waktu (menit ke-)
0
5
10
15
Laju alir refrigran (L/menit) F1
2
2
2
2
Laju alir air (L/menit) F2
11
11
11
11
Daya (watt)
1055
1052
1058
1060
Tdbin (oC)
27
27
26
27
Twbin (oC)
26
26
26
27
25
25
25
25
Twbout ( C)
23
23
23
23
TWin (oC)
25
25
25
25
29
28
29
29
24
24
24
24
Tf2 ( C)
98
99
100
100
Tf3 (oC)
31
32
31
32
31
31
32
32
24
24
24
25
Tf6 ( C)
3
5
5
6
Tf7 (oC)
21
21
20
21
Tf8 ( C)
23
23
23
23
P1 (bar)
0,5
1
1
1
P2 (bar)
7
7
7
7
P5 (bar)
6,5
6,5
6,5
6,5
P7 (bar)
1
1
1
1
ODP (mm)
14,8
14,8
17
15
Laju alir udara (in)
12,5
12,2
12,1
11,8
Laju alir udara (out)
6,5
6,4
6,5
6,5
RH (%)
58
58
58
58
suhu lingkungan (⁰C)
22,8
22,8
22,8
22,8
o
Tdbout ( C) o
o
TWout ( C) o
Tf1 ( C) o
o
Tf4 ( C) o
Tf5 ( C) o
o
1.6
Pertanyaan
1. Sebutkan perbedaan kedua rangkaian tersebut! 2. Buat profil setiap rangkaian! 3. Tentukan kinerja alat sesuai dengan standar (COP)! 4. Tentukan baseline dari rangkaian 1! 5. Buat tabel konservasi energi untuk seluruh pengukuran! 6. Diskusikan kelemahan dan kekurangan kedua jenis teknologi tersebut! 7. Buat rekomendasi ! Jawaban : 1. Perbedaan Rangkaian 1 dan Rangkaian 2. Pada sistem HVAC rangkaian 1 tidak menggunakan kapasitor pada masukan listrik kompresornya. Sedangkan pada rangkaian 2, dipasang kapasitor pada setiap fasa masukan listrik kompresor. Pemasangan kapasitor menimbulkan konsumsi daya kompresor yang dihasilkan menjadi turun. Hal tersebut terjadi karena pada dasarnya, kapasitor pada sistem daya listrik menimbulkan daya reaktif untuk memperbaiki tegangan dan faktor daya. Pemasangan kapasitor dapat mengurangi losses akibat aliran daya reaktif pada saluran. Kebutuhan arus kompresor akan berkurang dan tegangan mengalami kenaikan sehingga kapasitas sistem akan bertambah. 2. Profil Setiap Rangkaian
konsumsi listrik 1080 1070
t t a 1060 w
1050 1040 0
5
10
15
menit ke-
Gambar 5. Perbedaaan Konsumsi Listrik Setiap Rangkaian Pada grafik di atas dapat dilihat bahwa konsumsi daya listrik pada rangkaian dengan kapasitor (warna merah) lebih rendah daripada konsumsi listrik rangkaian yang tanpa menggunakan kapasitor (warna biru). Karena alasannya menggunakan kapasitor akan memperbaiki faktor daya sistem, sehingga losses akibat distribusi daya reaktif menjadi berkurang.
3. Kinerja Alat Sesuai Standar (COP)
Contoh perhitungan (rangkaian tanpa kapasitor) menit ke-0 Energi Evaporator dapat dihitung menggunakan rumus: Energi evaporator = mu . ∆H = 0.083 (ρ u . ∆P)0.5 (h1-h2)
Dik: = 15 mmH2O; Ta1 = 25 oC; Ta2 = 25 oC; Ta4 = 23 oC; ∆P Jawab: Dengan mengetahui temperatur udara masukan dan dengan psychromatic chart maka vu dapat didapat, vu = 0,872 m3/kg Jadi: ρ
= 0,083 (1,147 x 15) 0,5 = 0,344 kg/s Dari psychromatic chart diperoleh h1 dan h2 h1 pada Ta2 = 25 oC adalah 76,5 kJ/kg h2 pada Ta4 = 23 oC adalah 68,5 kJ/kg Energi evaporator = mu . ∆h Maka mu
= ( ) = 2,752 kW Qk
= 1064 watt = 1,064 kW
Maka,
Contoh perhitungan (rangkaian menggunakan kapasitor) menit ke-0 Energi Evaporator dapat dihitung menggunakan rumus: Energi evaporator = mu . ∆H = 0.083 (ρ u . ∆P)0.5 (h1-h2)
Dik: ∆P = 14,8 mmH2O; Ta1 = 27 oC; Ta2 = 26oC; Ta4 = 23oC; Jawab: Dengan mengetahui temperatur udara masukan dan dengan psychromatic chart maka vu dapat didapat, vu = 0,860 m3/kg Jadi: ρ
= 0,083 (1,163 x 14,8) 0,5 = 0,35 kg/s Dari psychromatic chart diperoleh h1 dan h2 h1 pada Ta2 = 26 oC adalah 81 kJ/kg h2 pada Ta4 = 23 oC adalah 68,25 kJ/kg Energi evaporator = mu . ∆h Maka mu
= ( ) = 4,463 kW Qk
= 1055 watt = 1,055 kW
Maka,
Tabel hasil perhitungan Tabel 4. Hasil Perhitungan Kondisi Tanpa Kapasitor Daya (watt)
1064
1063
1068
1073
v udara (m /Kg)
0,872
0,876
0,876
0,876
Rho (kg/m )
1,147
1,142
1,142
1,142
mu (kg/s)
0,344
0,366
0,366
0,344
h1 kJ/kg
76,5
81,00
81,00
81,00
h2 kJ/kg
68,5
68,5
68,5
68,5
Qe (kW)
2,752
4,575
4,575
4,3
COP
2,586
4,303
4,283
4,007
3
Tabel 5. Hasil Perhitungan Kondisi Menggunakan Kapasitor Daya (watt)
1055
1052
1058
1060
3
v udara (m /Kg)
0,860
0,876
0,876
0,882
Rho (kg/m )
1,163
1,142
1,142
1,134
mu (kg/s)
0,35
0,366
0,366
0,342
h1 kJ/kg
81
81
81
85
h2 kJ/kg
68,25
68,5
68,5
68,5
Qe (kW)
4,463
4,575
4,575
4,96
COP
4,230
4,350
4,324
4,680
Pada tabel hasil perhitungan di atas dapat dilihat bahwa pada saat rangkaian yang tidak menggunakan kapasitor, COP yang didapatkan kurang memenuhi standar Efisiensi Minimum ASHRAE Std. 90.1, karena pada menit ke-0 dan menit ke-15 nilai COP berada di bawah standar. Standar ini menjelaskan bahwa pengkondisi udara dengan pendingin air dan menggunakan kompresor torak efisiensi minimumnya (COP) harus mencapai 4,2. Pada saat rangkaian menggunakan kapasitor nilai efisiensi (COP) meningkat. Pada menit ke- 0 sampai menit ke-15 nilai COP nya sesuai dengan nilai standar. Hal tersebut terjadi karena konsumsi listrik kompresor berkurang atau lebih kecil dibandingkan saat tidak dipasang kapasitor, sehingga faktor pembagi pada perhitungan COP menjadi kecil. Kondisi tersebut mempengaruhi nilai COP menjadi semakin tinggi.
4. Baseline Rangkaian Tanpa Kapasitor
Rangkaian 1 5 4.5 4 3.5 C
3
base line
O 2.5 2 P
standar
1.5 1 0.5 0 0
5
10
15
menit ke-
Gambar 6. Baseline Rangkaian 1 Pada gambar grafik di atas dapat dijelaskan bahwa ketika sistem tidak dipasang kapasitor (rangkaian 1) nilai COP nya masih kurang sesuai dengan standar walaupun ada beberapa hasil memenuhi standar. Nilai baseline yang diperoleh pun masih dibawah standar yaitu sebesar 3,795. Dan nilai standar yang dipakai yaitu sebesar 4,2 (standar Efisiensi Minimum ASHRAE Std. 90.1). Terdapat peluang konservasi energi untuk meningkatkan nilai COP, dalam hal ini konservasi dilakukan salah satunya adalah dengan pemasangan kapasitor pad sistem HVAC. 5. Tabel Konservasi Energi
Pada hasil praktikum data didapatkan dan kemudian diolah untuk mengetahui Coefficient Of Performance (COP). Praktikum dilakukan dengan dua cara, pada cara ke-1 rangkaian sistem dioperasikan tanpa menggunakan kapasitor dan pada cara ke-2 rangkaian sistem dioperasikan menggunakan kapasitor. Dan hasil perbandingan Coefficient Of Performance pada rangkaian 1 (sebelum konservasi) dan rangkaian 2 (sesudah konservasi) dapat dilihat pada tabel 6 dan gambar grafik dibawah berikut ini : Tabel 6. COP Sebelum dan Sesudah Konservasi Energi Kondisi
Nilai COP menit ke-
0
5
10
15
Tanpa kapasitor
2,586
4,303
4,283
4,007
Menggunakan kapasitor
4,230
4,35
4,324
4,68
Perbandingan COP 5 4.5 4 3.5
COP tanpa menggunakan kapasitor
3 P O2.5 C
COP menggunakan kapasitor
2 1.5 1 0.5 0 0
5
10
15
Menit Ke-
Gambar 7. perbandingan COP Pada grafik perbandingan nilai COP diatas terlihat bahwa ketika sistem HVAC menggunakan kapasitor nilai COP nya berada di atas dibandingkan nilai COP yang diperoleh saat sistem tidak menggunakan kapasitor. Nilai rata-rata COP saat sistem menggunakan kapasitor yaitu sebesar 4,4. Hal ini berarti saat menggunakan kapasitor, sistem HVAC sudah memenuhi standar Efisiensi Minimum ASHRAE Std. 90.1 yaitu 4,2. 6.
Kelemahan Teknologi Kapasitor
Bila sistem tidak menggunakan kapasitor, konsumsi listrik kompresor menjadi tinggi sehingga nilai COP menjadi rendah. Namun, apabila memakai kapasitor kelemahan yang timbul adalah impedansi atau hambatan yang rendah pada frekuensi yang tinggi. Karena arus listrik cenderung mengalir melalui melalui lintasan yang hambatannya rendah maka arus harmonisa cenderung mengalir melalui kapasitor. Akibatnya, kapasitor bisa mengalami arus lebih karena adanya harmonisa. Jika hambatan kapasitor mempunyai nilai yang sama dengan hambatan jaringan sumber maka tercapailah suatu kondisi yang disebut resonansi. Pada kondisi resonansi, hambatan total sistem menjadi nol. Kondisi ini mirip dengan kondisi rangkaian pendek yang membahayakan kapasitor dan peralatan lainnya. Kondisi inilah yang sering menyebabkan rusaknya kapasitor dan peralatan lainnya. Karena kapasitor biasanya berisi minyak, kapasitor yang terbakar bisa memicu kebakaran yang lain. Kejadian inilah yang sering memicu banyak kebakaran di industri dan bangunan modern.
7. Analisa Ekonomi
Diketahui:
harga kapasitor
: Rp. 25.000,00
Umur kapasitor
: 6 tahun
Penyelesaian:
Konsumsi listrik kompresor sebelum pemasangan kapasitor adalah 1067 watt.
Konsumsi listrik kompresor setelah pemasangan kapasitor adalah 1056,25 watt.
Diasumsikan Alat heat pump digunakan selama 4 jam perhari.
Saving daya
Saving energi pertahun
saving rupiah pertahun
Biaya investasi akan kembali dalam waktu 2,7 tahun, sedangkan umur teknik kapasitor adalah 6 tahun. Hal ini dapat dinyatakan bahwa rekomendasi pemakaian kapasitor ini cukup layak, karena biaya investasi kembali tidak lebih dari umur teknis kapasitor. Dalam hal ini penghematan yang didapat pertahunnya terbilang kecil. Hal ini kemungkinan kapasitas dari kapasitor yang digunakan terbilang kecil , maka penghematan yang diperoleh terbilang kecil pula.
Kesimpulan
Nilai Coefficient Of Performance terkecil saat sistem HVAC tidak menggunakan kapasitor yaitu 2,586. Dan saat tidak menggunakan kapasitor sistem HVAC kurang memenuhi standar, Baseline kinerja sistem sebelum dilakukan konservasi adalah sebesar 3,795. Masih di bawah standar ASHRAE sehingga langkah konservasi perlu dilakukan.
Nilai Coefficient Of Performance terbesar saat sistem HVAC menggunakan kapasitor yaitu 4,68. Dan saat menggunakan kapasitor sistem HVAC memenuhi standar dimulai dari menit ke-0 sampai dengan menit ke-15. Dan baseline dari kinerja sistem setelah dilakukan konservasi dengan cara memasang kapasitor yaitu sebesar 4,4.
Kinerja sistem HVAC mengalami kenaikan apabila dilakukan pemasangan kapasitor. Dapat dilihat pada tabel berikut: Nilai COP menit ke-
Kondisi
0
5
10
15
Tanpa kapasitor
2,586
4,303
4,283
4,007
Menggunakan kapasitor
4,230
4,35
4,324
4,68
Penghematan energi dapat dilihat pada tabel berikut:
No.
Keterangan
1.
Kondisi awal
2.
Dengan kapasitor
Energi Saving/tahun
Cost Saving/tahun
-
-
10,11 kWh
Rp. 9.100
Rekomendasi
Rekomendasi yang diberikan adalah pemasangan kapasitor. Dan kelayakan rekomendasi dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
No
rekomendasi
1
Pemasangan kapasitor
Investasi (Rp)
25.000
saving energi per tahun (Rp)
PP (tahun)
Umur teknis (tahun)
kelayakan
9.100
2,7
6
layak
