SOLAR AIR CONDITIONING

DIAN MORFI NASUTION, ST

SOLAR ENGINEERING TECHNOLOGY

Magister Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara 1

KRISIS ENERGI

Isu tentang krisis energi dan pemanasan global sudah tidak asinglagi bagi masyarakat dunia. Berbagai teknologi dan inovasi terusdikembangkan dalam mencari solusinya. Di samping pencarianberbagai sumber energi alternatif yang ramah lingkungan,penghematan energi pun dilakukan untuk menekan lajukonsumsi energi.

Data dari dokumen HDI (Human Development Index) tahun2005 menyebutkan bahwa konsumsi tenaga listrik/orang diIndonesia masih 463 kWh/cap. Angka ini masih di bawah negaratetangga kita Malaysia, (3.234 kWh/cap), Thailand (1.860kWh/cap), Filipina (610 kWh/cap), dan Singapura (7.961kWh/cap.

2

Sampai dengan tahun 2005, kapasitas terpasang energi baru dan

terbarukan hanya sekitar 3,0 % dari potensi yang tersedia.

Kapasitas terpasang dari PLTS sebesar 8 MW, dari PLTB sebesar

0,5 MW, dari PLTMH sebesar 54 MW dan dari PLT terbarukan

lainnya (biomassa) sebesar 302,5 MW. Sedangkan energi nuklir

belum dapat dimanfaatkan meskipun sudah dapat mencapai

nilai keekonomiannya, karena adanya hambatan dari aspek

penerimaaan masyarakat dan besarnya investasi awal yang

dibutuhkan . Jadi solusi krisis energi tidak hanya datang dari segi

produksi energi alternatif, namun dari segi konsumsinya.

3

Konsumsi energi listrik pada AC konvensional relatif

sangat tinggi. Pada umumnya listrik masih dihasilkan dari

bahan bakar fosil, penggunaan AC secara tidak langsung juga

berkontribusi secara signifikan terhadap emisi gas rumah

kaca yang menyebabkan peningkatan efek pemanasan

global. Karena suhu lingkungan semakin panas, semakin banyak

industri, rumah tinggal, dan gedung yang menggunakan AC, akan

menyebabkan siklus perusakan lingkungan dan krisis energi

terus berlanjut. 4

Namun penghambatan penggunaan AC adalah hal yang mustahil dilakukan. Karena itu, diperlukan inovasi

pendingin udara yang menggunakan sumber energiterbarukan dan ramah lingkungan.

5

6Solusinya adalah Inovasi Sistem Solar Thermal

Cooling, pendinginan ruangan dengan menggunakan

panas matahari. Menghasilkan udara yang dingin dengan

menggunakan panas matahari sekilas tampak konyol.

Namun dengan menggunakan teknologi modern, ada

beberapa proses thermal yang dapat menggunakan energi

panas matahari untuk menggerakkan suatu proses

pendinginan.

History

1. Swartman (1974) menjelaskan berbagai sistem penyerapan

(absorpsi).

2. Newton (Jordan dan Liu 1977) membahas ketersediaan sistem

pendingin absorpsi uap air/litium bromida yang dikomersilkan.

3. Newton (Jordan dan Liu 1977) menunjukkan bahwa suhu terendah

air pendingin yang tersedia di musim dingin memungkinkan LiBr/H2O

untuk berfungsi dengan baik dengan suhu fluida panas masuk di

bawah 88 C. Residential chillers dengan daya terendah 5,3 kW,

dengan suhu masuk dalam kisaran 80 C telah dikembangkan.

(ASHRAE 1999 HVAC Application Handbook, Chapter 32) 7

Sekilas tentang sistem AC konvensionalDikenal dengan nama Siklus Kompresi Uap

Fluida kerja yang umum digunakan adalah R-22 dan R-134a

8

Bagaimana Solar Thermal Cooling (Solar AC) bekerja?

Pada prinsipnya tidak ada perbedaan kecuali pada

bagaimana fluida kerja dapat dinaikkan titik didihnya

sehingga dapat mengembun (kondensasi) pada kondenser.

Pada sistem AC konvensional, titik didih fluida kerja

dinaikkan menggunakan kompresi mekanik. Sedangkan

pada sistem AC tenaga surya, titik didih fluida kerja

dinaikkan menggunakan kompresi thermal

9

Untuk menggantikan kerja kompresor pada sistem AC

konvensional digunakan kombinasi generator,

absorber, dan pompa.10

Fluida yang praktis untuk digunakan adalah campuran airdengan LiBr. Fungsi dari penggunaan larutan LiBr adalah untukmenaikkan titik didih dari air, namun menurunkantekanan uap saturasi dari air.

Air dan LiBr digunakan karena memenuhi kriteria fluida kerja

(campuran antara refrigeran dan absorben), yaitu:

1. Perbedaan titik didih antara refrigeran dan larutan pada tekanan

yang sama besar.

2. Refrigeran memiliki panas penguapan yang tinggi dan konsentrasi

yang tinggi di dalam absorben untuk menekan laju sirkulasi

larutan diantara absorber dan generator per-satuan kapasitas

pendinginan.

11

3. Memiliki sifat-sifat transport seperti viskositas, konduktivitas

termal, dan koefisien difusi yang baik sehingga dapat

menghasilkan perpindahan panas dan massa yang juga baik.

4. Baik refrigeran dan absorbennya bersifat non-korosif, ramah

lingkungan, dan murah.

5. Kriteria lainnya stabil secara kimiawi, tidak beracun, tidak mudah

terbakar, dan tidak mudah meledak. Dalam sistem solar thermal

cooling, air berfungsi sebagai refrigeran, sedangkan LiBr sebagai

absorben.

12

Cara kerjanya

1. Fluida bersuhu dan bertekanan rendah memasuki evaporator lalu

menguap karena adanya kalor dari lingkungan yang masuk ke

evaporator.

2. Lalu fluida berubah fasa dari cair menjadi gas dan memasuki

absorber yang memiliki larutan yang rendah kadar airnya. Larutan ini

menyerap refrigeran dan bertambah kadar airnya. Karena reaksi di

dalam absorber adalah eksoterm (mengeluarkan panas).

3. Selanjutnya larutan dipompa ke generator. Daya pompa yang

diperlukan sangat kecil, sehingga dalam perhitungan COP daya ini

biasanya diabaikan.13

4. Di generator, kalor disuplai dengan energi panas matahari,

sehingga refrigeran (titik didih lebih rendah) menguap dan

absorber (titik didih lebih rendah) dialirkan ke absorber.

5. Uap dengan tekanan tinggi masuk ke kondenser lalu mengalami

perubahan fasa menjadi cair, sehingga kalor dilepas ke lingkungan.

6. Cairan masuk ke expansion valve lalu mengalami drop tekanan.

Kemudian masuk ke evaporator dan siklus terus berulang.

14

Input energi panas matahari pada generator menggantikan input energi

listrik pada kompresor. Dengan menggunakan sistem ini, energi listrik yang

mahal dapat digantikan oleh panas matahari menggunakan proses

kompresi.

Keunggulan

Kesesuaian kronologis antara waktu supply (penyediaan

energi) dan pada waktu demand (permintaan energi)

yang terjadi pada saat yang bersamaan.

Penggunaan LiBr tidak menambah efek rumah kaca yang

merusak lapisan ozon dan menimbulkan pemanasan

global

15

Sistem pengkondisian udara tenaga suryamenggunakan Rotary Honeycomb Desiccant Wheel

Oleh :

A.E. Kabeel

Departemen Mesin Tenaga, Fakultas Teknik, UniversitasTanta, Egypt

16

Poin Utama

Mengusulkan sistem pengkondisian udara tenaga surya menggunakan desiccant

cair

Sebuah pemanas udara tenaga surya berisikan material berpori digunakan untuk

tujuan regenerasi dalam sistem yang diusulkan

Rotary Honeycomb Desiccant Wheel dibuat dari kawat besi dan lapisan pakaian

yang dapat meresap dengan kalsium klorida, dalam bentuk sarang lebah,

digunakan untuk regenerasi dan proses penyerapan (absorption processes).

Pengaruh laju aliran udara dan intensitas radiasi matahari pada sistem regenerasi

sistem dan proses penyerapan akan dipelajari

Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa sistem ini sangat efektif dalam

proses regenerasi.

Sebuah persamaan empiris diperoleh untuk menghitung pengurangan kelembaban

sebagai fungsi dari laju aliran udara pada penyinaran matahari siang hari

Juga diperoleh persamaan empiris untuk efektivitas wheel sebagai fungsi dari

laju aliran udara untuk regenerasi dan proses penyerapan.

17

Desiccant

Bahan kimia dengan afinitas yang baik untuk kelembaban.

Oleh karena itu, Desiccants dapat digunakan sebagai

suplemen untuk sistem kompresi uap konvensional dalam

hal untuk membuang beban panas laten.

Desiccants efisien dalam menangani beban panas laten

(mengurangi kelembaban), dan evaporator dalam

sistem kompresi uap efisien dalam menangani beban

panas sensibel (menurunkan suhu udara).

18

Davanagere [1] menyimpulkan keuntungan menggunakan desiccantsadalah:1. Mengkonsumsi energi listrik sangat sedikit, dan untuk proses

regenerasi memungkinkan menggunakan energi surya dan energilimbah.

2. Hal ini efisien ketika beban panas laten lebih besar daripada bebanpanas sensibel.

3. Ini adalah teknologi yang bersih, yang dapat digunakan untukkondisi lingkungan internal bangunan dan beroperasi tanpamenggunakan refrigeran berbahaya.

4. Kontrol mencapai kelembaban lebih baik daripada bilamenggunakan sistem kompresi uap

5. Dalam beberapa kasus biaya energi untuk regenerasi desiccantlebih rendah dibandingkan dengan biaya energi untuk dehumidifyudara dengan pendinginan di bawah titik embunnya.

6. Peningkatan kualitas udara dalam ruangan lebih mungkin karenaventilasi normal.

7. Memiliki kemampuan menghilangkan polutan udara.

19

Alizaeh dan Saman [2]

Kolektor surya/regenerator aliran paksa menggunakan desiccantcair. Mereka menggunakan larutan kalsium klorida sebagaidesiccant dan mempelajari pengaruh udara dan laju aliranlarutan desiccant terhadap kinerja regenerasi. Merekamenyimpulkan bahwa kinerja dari regenerator meningkatdengan meningkatnya tingkat aliran udara.

Henning et al. [3]

Melakukan studi parametrik dari kombinasi desiccant dengansistem pendinginan chiller tenaga surya. Merekatidak hanya menunjukkan kelayakan mereka, tetapi juga merekamenghemat energi utama hingga 50% denganmenurunkan peningkatan biaya secara keseluruhan.

20

Mavroudaki et al. [4] dan Halliday et al. [5]

Melakukan secara independen dua studi kelayakan dari tenaga suryapada kota kota Eropa yang menunjukkan perbedaan zona iklim.Penurunan penghematan energi tercatat dalam zona yang sangatlembab. Desiccants cair sangat menarik karena fleksibilitas operasionaldan kemampuan menyerap polutan dan bakteri [6].

Mullick dan Gupta [7]

Telah melakukan studi tentang kolektor surya dengan regenerator.Beberapa bahan yang digunakan sebagai desiccant, termasuk zat padatdan cair. Desiccants padat konvensional yaitu gel silika, alumna aktif,garam litium klorida, molecular sieves, lithium silikat dan polimersintetis. Desiccants Cair yaitu lithium klorida, lithium bromida dankalsium klorida. Desiccants cair memiliki beberapa keunggulandibandingkan dengan desiccants padat. desiccant cair dapat dipompadan beberapa unit kecil dapat dihubungkan untuk memenuhi tuntutanbangunan besar. Selain itu, dapat disimpan untuk regenerasi olehbeberapa sumber energi murah.

21

Kinsara et al. [8]

Lebih detail tentang sifat desiccant dan proses regenerasi

Ahmed et al. [9]

Evaluasi dan optimalisasi kinerja solar desiccant wheel. Hasilpenelitian menunjukkan bahwa ada nilai maksimum setiapparameter desain disetiap kondisi operasi. Selanjutnya, efisiensikinerja solar desiccant wheel yang efektif berkisar antara 1 dan 5kg / menit terhadap laju aliran udara.

Shyu et al. [10]

Dua sistem regenerasi dehumidifikasi desiccant tenaga suryayang berbeda. Kedua sistem memiliki luas kaca yang sama.Desiccant padat yang digunakan adalah silika gel. Kedua sistemlayak dan efisien dalam menghemat energi.

22

Daou et al.[15]

Mempelajari sistem pendingin udara pendinginan-desiccant.

Kodama et al. [16]

Sebuah proses pendinginan desiccant adsorptif tenaga suryadengan penyerap sarang lebah (honeycomb). Studi ini menelitikinerja aktual dari proses pendinginan dengan konfigurasi yangkhas (satu desiccant wheel, satu penukar panas sensibel dan duasemprotan air pendingin evaporatif) digerakkan dengan air yangdipanasi surya. Pada kondisi kelembaban yang lebih tinggi,jumlah air dehumidified menjadi lebih tinggi daripadadehumidified pada kondisi kelembaban rendah karenameningkatnya kelembaban relatif udara luar atau efektifkapasitas adsorpsi dari rotor desiccant. Namun, penurunan suhuyang dihasilkan pada kondisi ini hanya 6,9 C. Perilaku iniumumnya disebabkan peningkatan kelembaban dan kenaikansuhu simultan di udara dehumidified.

23

Desiccant Kalsium klorida digunakan dalam penelitian ini karenaalasan berikut:

1. Suhu regenerasi dari kalsium klorida lebih rendah daripadayang dibutuhkan untuk silika gel.

2. Biaya kalsium klorida lebih rendah dibandingkan dengansilika gel.

Pengaruh laju aliran udara pada regenerasi dan prosespenyerapan dipelajari pada siang hari.

24

Experimental setup

Sistem ini terdiri dari :

a. Pemanas udara surya (Solar air heater)

b. Rotary desiccant wheel

c. Alat penukar kalor.

Solar air heater

25

26

Rotary desiccant wheel

1. Terbuat dari besi galvanis diameter 0.4m dan panjang 0.6m.

2. Terbagi 2 bagian, yang pertama bagian regenerasi yang samadengan 33,33% dari total luas permukaan. Bagian kedua adalahbagian penyerapan yang sama dengan 66,66% dari total luaspermukaan.

3. Tebal lapisan pakaian adalah 2 mm

4. larutan kalsium klorida jenuh pada konsentrasi awal 35%.

5. Motor rotary 0.4 kW untuk menggerakkan desiccant wheel padakecepatan 120 putaran per jam.

Alat penukar kalor

1. Digunakan untuk meningkatkan proses absorpsi.

2. Shell terbuat dari besi galvanis diameter 0,3 m, panjang 1 m dantebal 0.02 m.

3. Air masuk lewat melalui saluran yang terbuat dari tabung tembagaberdiameter 0.05 m, Panjang 5m. Selama proses ini, air melewatisaluran coil yang dan keluar pada suhu Yang Lebih Tinggi. Kipas0.27kW digunakan untuk memungkinkan udara melewati penukarpanas dan bagian penyerapan.

27

28

Instrumen perangkat pengukuranParameter - parameter yang diukur adalah

1. Suhu masuk dan keluar dari pemanas udara surya

2. Suhu wet bulb dan dry bulb udara masuk dan keluar untukproses regenerasi dan absorpsi

3. Suhu udara masuk dan keluar penukar panas.

4. Intensitas radiasi matahari diukur pada sudut kemiringan 30

5. Suhu wet bulb dan dry bulb udara ambien

6. Laju aliran Udara

Termokopel (resolusi 0,1 C)

Pyranometer untuk mengukur radiasi matahari

Humidity meter (resolusi 0,1 %)

Hot wire anemometer (akurasi 0,05 m/s)

29

Operasi sistem

30

Analisa data eksperimen

Kapasitas pendinginan spesifik dari pasokan udara

Kapasitas total kelembaban yang dipindahkan

Laju kelembaban yang ditambahkan ke udara dengan regenerasi

Efek pendinginan dari desiccant yang digunakan padapengkondisian udara

31

Koefisien kinerja sistem termal

The wheel effectiveness in the regeneration process

Effisiensi termal kolektor surya pelat datar

32

Faktor efisiensi kolektor (F)

Dimana

Jika diasumsikan lebih lanjut bahwa F, , , UL adalah konstanta untuk kolektor dan laju aliran, maka efisiensi merupakan fungsi linear dari tiga parameter yang mendefinisikan kondisi operasi;radiasi matahari, suhu kolektor, dan suhu udara ambien.

m1 = laju aliran bagian absorpsi

m2 = laju aliran bagian regenerasi

33

Hasil eksperimen

Tujuan dari eksperimental adalah untuk mempelajari

kinerja dari sistem pendingin udara desiccant yang

menggunakan pemanas udara surya tipe berpori dan

rotary honeycomb desiccant wheel. Hasilnya diperoleh

pada kondisi iklim yang berbeda dan udara laju aliran udara

yang berbeda. (untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada

jurnal)

34

Kesimpulan1. Efisiensi maksimum dari pemanas udara surya jenis berpori

mencapai 0,6 setelah tengah hari.2. Efektivitas wheel tergantung pada radiasi matahari dan kecepatan

aliran udara. Pendekatan 0,92 untuk proses regenerasi dan 0,65untuk proses penyerapan pada laju aliran 90 kg/jam.

3. Sistem ini sangat efektif dalam proses regenerasi untuk semua lajualiran dibandingkan dengan proses penyerapan.

4. Perubahan kelembaban mencapai 11,5 g/kg udara dalam prosesregenerasi dan 74 g/kg udara untuk proses penyerapan pada lajualiran 90 kg / jam

5. Kelembaban dibuang untuk proses regenerasi pada siang haridiperoleh sebagai fungsi laju aliran udara masuk.

6. Nilai-nilai pendekatan efek pendinginan diperoleh pada laju aliranyang berbeda dan intensitas radiasi surya.

7. Hubungan Efektivitas wheel empiris padamatahri siang hari untukproses regenerasi dan proses penyerapan diperoleh sebagai fungsidari laju aliran udara

35

Salah satu solar AC yang sudah dikomersilkan

36

Paper yang kedua berjudul :

Aplikasi potensial sistem pengkondisian udara tenaga surya

untuk menggantikan ventilasi

Membahas mengenai desain pada sistem pengkondisian

udara ini, yaitu:

1. Solar air conditioning system for full-fresh-air provision

2. Solar air-conditioning system with return air

arrangement

37

Solar air conditioning system for full-fresh-air provision

38

Solar air-conditioning system with return air arrangement

39

TERIMA KASIH

Manfaatkan seluas luasnya sumber energi yangdikaruniakan Tuhan kepada kita..

Janganlah kita sia sia kan..

Hidup Konversi Energi !!!

Magister Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara 40