Hemat Energi pada Sistem “Air Conditioning” Sebagai Upaya Mengatasi Krisis Energi di Indonesia

Henry Nasution1 dan Mat Nawi Wan Hassan2

1 PhD Candidate Fakulti Kejuruteraan Mekanikal Universiti Teknologi Malaysia, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta

Padang – Sumatera Barat, Indonesia Telp : +60-7-553-4788, Fax : +60-7-556-6159

Email : henrynasution@yahoo.com 2 Professor Fakulti Kerjuruteraan Mekanikal Universiti Teknologi Malaysia

Johor Bahru, Johor Darul Ta’zim – Malaysia Telp : +60-7-553-4755, Fax : +60-7-556-6159

Email : nawi@fkm.utm.my

Abstrak : Memvariasikan putaran (variable speed) pada kompresor baik secara manual (tanpa sistem pengaturan) maupun dengan mempergunakan sistem pengaturan untuk tujuan sistem pendingin ruangan (Air Conditioning) memiliki potensi yang besar dalam upaya penghematan pemakaian energi listrik. Pada penelitian ini sistem pendingin yang digunakan adalah tipe sentral dengan kapasitas 3 kW, putaran motor nominal 1450 rpm, referensi untuk temperatur ruang sebesar 22 oC, variasi putaran motor : 20, 25, 30, 35, 40, 45, dan 50 hz. Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa, pada sistem pendingin dapat dilakukan penghematan konsumsi pemakaian energi sebesar 20,77 % pada frekuensi motor 40 hz, dan 22,54 % dengan menggunakan sistem kontrol proporsional.

1. Pendahuluan Konservasi energi, adalah suatu permintaan untuk mengurangi pemakaian energi. Pada masa ini telah menjadi pembicaraan di setiap daerah maupun manca negara. Usaha tersebut tidak hanya diterapkan pada sistem disain baru tetapi juga pada sistem lama. Selama sistem tersebut memenuhi kondisi penghematan energi atau konsumsi energi minimum yang dapat memuaskan kebutuhan pemakai dan negara. Sehingga persoalan inipun menjadi keharusan yang mesti dipenuhi bagi setiap negara yang tercatat dalam Protokol Kyoto.

Masyarakat Indonesia tergolong konsumen yang sangat boros dalam penggunaan energi listrik jika dibandingkan dengan negara lain. Akibatnya, pemakaian listrik meningkat cukup tajam dari tahun ke tahun, dan ini tidak sesuai dengan pertumbuhan penggunaan energi listrik [1]. Melihat perkembangan dan fakta di lapangan pada tahun 2003, kondisi pada tahun 2004 akan semakin parah. Kekhawatiran itu muncul karena hanya ada satu tambahan pasokan listrik, sedangkan permintaan pemakai energi listrik akan terus meningkat [2].

Meskipun energi terbarukan melimpah di Indonesia, yaitu : energi surya, angin, mikrohidro, geotermal, dan biomass masih sangat minim pemakaiannya, diperkirakan 10 tahun mendatang hanya 10 sampai 20 persen pasokan energi

listrik berasal dari energi terbarukan tersebut. Dan kondisi saat ini pemanfaatan energi terbarukan hanya satu persen [3].

Ada beberapa upaya yang telah dilakukan di Indonesia, untuk mengatasi krisis energi tersebut. Pemakaian lampu hemat energi atas kerja sama PT. GE Lighting Indonesia dan PLN, yang dapat menghemat pemakaian energi listrik sebesar 80 % [4] dan Perencanaan Gedung Hemat Energi “Graha Pangeran” di Surabaya oleh Jimmy Priatma, penghematan energi yang dicapai dari hasil rancangan tersebut sebesar 65 % [5].

Kunci penghematan energi pada gedung-gedung tinggi adalah dengan penggunaan listrik untuk AC dan penerangan dapat ditekan serendah mungkin, karena penggunaaan energi di gedung bisa mencapai 90 % untuk AC dan penerangan [5].

Sebagai contoh pada wilayah DKI Jakarta, jumlah gedung berdasarkan data tahun 2000 sebanyak 960.000 gedung, dan 1000 gedung diataranya adalah gedung berlantai lima ke atas [6]. Berdasarkan survei yang telah dilakukan oleh Ikatan Ahli Fisika Bangunan Indonesia (IAFBI), dari 500 gedung berlantai delapan yang menjadi objek penelitian, baru 10 % atau 50 gedung di Jakarta yang menggunakan energi mendekati angka standar [7].

Jika pada tiap gedung bertingkat menggunakan sistem pendingin, pada sistem tersebut pemakaian energi yang terbanyak adalah pada kompresor, sebesar 90 % dari total pemakaian energi listrik pada sistem pendingin [8].

Upaya untuk penghematan energi pada sistem pendingin adalah dengan beberapa cara : memperbaiki efisiensi kompresor, memvariasikan putaran kompresor, mencari refrigeran alternatif, memvariasikan putaran fan, sistem kontrol refrigeran, dan lain-lain [9]

Pada uraian diatas, penulis melakukan penelitian dalam upaya hemat energi pada pemakaian sistem pendingin, dengan penelitian ini diharapkan dapat mengatasi masalah krisis energi di Indonesia.

2. Variasi Putaran Motor dan Sistem Kontrol Untuk mengatur kecepatan motor, digunakan inverter. Yang dapat memfariasikan putaran berdasarkan perubahan frekuensi, sedangkan tegangan dan arus motor tidak mengalami perubahan. Karena pada sistem inverter, frekuensi

akan sebanding perubahannya terhadap putaran, tegangan, arus dan daya listrik. Dengan peralatan tersebut, motor dapat berubah-ubah kondisi sesuai dengan keperluan dan tidak mengalamai gangguan kerusakan.

Dalam kurun waktu 20 tahun ini, aplikasi pemakaian inverter untuk kegunaan sistem pendingin telah banyak dipergunakan [10 - 21]. Dengan menggunakan inverter sangat efisien untuk menghemat pemakaian energi listrik pada sistem pendingin [17].

Pada sistem pendingin konvensional, temparatur telah ditetapkan pada perencanaan sebelumnya, sehingga tidak dapat lagi diatur sesuai dengan keinginan dan kondisi lingkungan. Akibatnya energi yang dipergunakan juga tidak dapat dilakukan penghematan. Temperatur ruangan semestinya dapat diatur sesuai dengan aktifitas dan kondisi lingkungan atau musim, sehingga diperoleh efisiensi dan penghematan pemakaian energi [22, 23]. Selain temperatur ruangan, kelembaban juga menjadi perhatian untuk kondisi tersebut [24].

Untuk lebih jelasnya atas penjelasan diatas, dapat diperhatikan Tabel 1 [25]. Dapat kita jelaskan bahwa penggunaan inverter hanya digunakan untuk memvariasikan putaran fan yang tujuannya untuk mengatur distribusi udara yang masuk ke dalam ruangan, kapasitas refrigeran melalui katup ekspansi, dan simulasi. Tetapi penghematan yang dicapai belumlah semaksimal apa yang diharapkan. Karena kompresor tetap bekerja sesuai dengan spesifikasinya (standar nominal motor)[26, 27].

3. Prosedur Penelitian Tahapan yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : Pertama adalah pada kondisi standar atau kodisi nominal tanpa adanya perubahan kecepatan (putaran nominal motor = 50 hz), tujuannya adalah untuk mendapatkan pemakaian energi standar dan akan digunakan sebagai data pembanding. Kedua, dengan memvariasikan putaran kompresor. Putaran divariasikan dengan menggunakan inverter, perubahan pada variasi tersebut adalah frekuensi motor, berkisar 20 – 50 hz. Ketiga, aplikasi sistem kontrol pada sistem pendingin. Sistem kontrol yang dipergunakan adalah Proporsional Kontrol. Untuk menggunakan sistem kontrol tersebut ditetapkan beberapa variabel : temperatur ruangan yang diinginkan (temperature set point) = 22 oC, putaran minimal motor kompressor = 20 hz dan putaran maksimal motor kompressor = 50 hz. Instalasi pengujian seperti pada Gambar 1.

Pengujian dilakukan selama 3 jam, setiap 5 menit dilakukan pengambilan data. Seluruh sistem pengambilan data terkoneksi dan terekam dengan PC dan interface Advantech PCI-1711/PCLD-8710, dengan data input : frekuensi motor, daya motor, arus motor, tegangan motor, putaran motor, temperatur sistem pendingin, temperatur ruangan, dan kelembaban ruangan.

4. Hasil dan Pembahasan Dari Gambar 3 dan Gambar 4 dapat kita perhatikan bahwa pada kondisi frekuensi nominal (50 hz) selama 3 jam waktu pengujian, akan mengakibatkan temperatur ruang mencapai 19 oC. Dan ini menunjukkan bahwa kondisi pada ruangan tersebut adalah tidak nyaman bagi penghuninya. ASHRAE standar menetapkan kondisi nyaman untuk sistem pendingin adalah : Winter : 20 – 23.5 oC dan Summer : 23 – 26.0 oC [28].

Jika frekuensi motor divariasikan : 20, 25, 30, 35, 40, 45, dan 50 hz, maka distribusi temperatur ruangan adalah : 23.9, 22.1, 21.3, 21.0, 20.2, 19.3, dan 19 oC dengan pemakaian energi listrik dari 0.96 kW sampai dengan 2.55 kW. Ini menunjukkan bahwa kenaikan konsumsi energi akan sebanding dengan meningkatnya frekuensi atau putaran motor. Satu derajat perubahan temperatur ruang untuk pemakaian sistem pendingin sudah dapat memberikan penghematan sekitar 20 sampai 30 persen dari energi yang digunakan [7]. Jika sistem pendingin dioperasikan pada frekuensi 40 hz, konsumsi energi dapat di hemat pemakaiannya sebesar 20, 77 % dari kondisi operasi nominalnya 50 hz.

Sedangkan dengan pemakaian sistem kontrol, dapat kita perhatikan pada Gambar 4, konsumsi energi dapat di hemat sebesar 22.54 %. Pada sistem tersebut, putaran motor kompresor akan sebanding dengan perubahan temperatur. Jika temperatur ruang telah tercapai, maka motor kompresor akan berputar pada putaran minimal = 20 hz, tetapi jika temparatur tersebut belum tercapai maka motor akan berputar sesuai dengan setting yang terjadi. Semakin banyak aktifitas, semakin meningkat temperatur di dalam ruangan.

5. Kesimpulan

Dari hasil penelitian dapat diambil beberapa kesimpulan dalam upaya mengatasi krisis energi di Indonesia, yaitu : memanfaatkan teknologi inverter yang dapat memvariasikan putaran motor kompresor , sehingga pada tujuan tertentu pemakaian sistem pendingin disesuaikan dengan keadaan dan aktifitasnya. Teknologi ini tidak menyulitkan dalam hal pemasangan dan tersedia di pasaran Indonesia.

Upaya kedua yang dapat dilakukan untuk penghematan energi pada sistem pendinginan ruangan adalah dengan menggunakan sistem pengaturan, walau menambah biaya awal untuk infestasi, pada sistem ini tidak lagi memerlukan operator, karena pada sistem tersebut telah terintegrasi dan terkoneksi . Ini akan lebih baik dan jauh lebih hemat pemakaian energi listriknya jika dibandingkan dengan sistem konvensional.

Sistem pendingin ruangan dengan menggunakan sistem pengaturan ini akan bekerja sesuai dengan banyaknya aktifitas yang berada di dalam ruangan. Perubahan motor kompresor juga sebanding dengan perubahan aktifitas, karena itu dipengaruhi oleh temperatur ruang tersebut.

Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Universitas Bung Hatta, Universiti Teknologi Malaysia, dan Laboratorium Thermo – Fluid Fakulti Kejuruteraan Mekanikal yang telah membantu dan memberikan fasilitas-fasilitas dalam penelitian ini. Juga Penulis mengucapkan terima kasih kepada PPI – UTM, PPI – Malaysia, Konsul Jendral Johor Bahru, dan KBRI Kuala Lumpur, atas dukungan moril yang diberikan. Daftar Pustaka [1] Kompas, “Masyarakat Indonesia Boros Gunakan

Listrik,” 25 Juli 2001. [2] Kompas, “Tak Ada Jaminan, 2004 Listrik Aman,”

15 Desember 2003. [3] Kompas, “Energi Terbarukan Hanya Pasok Listrik

Satu Persen,” 31 Mei 2002. [4] Kompas, “Lampu Hemat Energi Menghemat Listrik,”

28 Juli 2003. [5] Kompas, “Merancang Gedung Ramah Lingkungan,”

22 September 2002. [6] Kompas, “Minim, Sarana Kebakaran di Gedung

Bertingkat di Jakarta,” 22 Maret 2003. [7] Kompas, “Pengusaha Belum Lakukan Efisiensi,”

25 Mei 2001. [8] K. Tojo et al., “ A Scroll Compressor for Air

Conditioners,” Proc. International Compressor Engineering Conference at Purdue, pp. 496-503, 1984.

[9] OECD, Enhancing the Market Deployment of Energy Technology a Survey of Eight Technologies, France : OECD, 1997.

[10] K. Lida et al., “ Development of an Energy Saving Oriented Variable Capasity System Heat Pump,” ASHRAE Transactions, Vol. 88, pp.441 – 449, 1982.

[11] J. D. Lloyd, “ Variable Speed Compressor Motors Operated on Inverters,” ASHRAE Transactions, Vol. 88, no.1, pp. 633-642, 1982.

[12] W. A. Miller, “ Laboratory Efficiency Comparisons of Modulating Heat Pump Components Using Adjustable Speed Drives,” ASHRAE Transactions, Vol. 94, no.1, pp. 874-891, 1988.

[13] O. K. Riegger, “ Variable Speed Compressor Performance,” ASHRAE Transactions, Vol. 94, no.1, pp.1215-1228, 1988.

[14] Stephen W. Garstang , “ Variable Frequency Speed Control of Refrigeration Compressors-Part 1,” Australian Refrigeration, Air Conditioning and Heating, pp.21-23, March 1990.

[15] M. Krueger and M. Schwarz, “ Experimental Analysis of a Variable Speed Compressor,” Proc. International Compressor Engineering Conference at Purdue, pp.599 – 604, 1994.

[16] M. Takebayashi et al., “ Performance Improvement of A Variable-Speed Controlled Scroll Compressor for Household Air Conditioners,” ASHRAE Transactions, Vol.100, no.1, pp.471-475, 1994.

[17] T. Q. Qureshi and S. A. Tassou, “ Variable Speed Capacity Control in Refrigeration Systems,” Applied Thermal Engineering, Vol.16, no.2, pp.103-113, 1996.

[18] Norlidah Zainal Abidin, “ Retrofitting of Compressor Motor in Air Conditioning System for Energy Saving ,” Universiti Teknologi Malaysia : Masters Thesis, 1995.

[19] S. A Tassou and T. Q. Qureshi, “ Comparative Performance Evaluation of Positive Displacement Compressors in Variable Speed Refrigeration Applications,” Int. J. Refrigeration, Vol.21, no.1, pp.29-41, 1998.

[20] Gregory J. Rosenquist, “ Energy Conservation Standards for Room Air Conditioners,” ASHRAE Transactions, Vol.104, no.2, pp.1-16, 1998,

[21] Y. C. Park, C. K. Young, and K. M. Man, “ Performance Analysis on A Multi-type Inverter Air Conditioner,” Energy Conversion and Management, Vol.42, pp.1607-1621, 2001.

[22] T. Itami, K. Okoma, and K. Misawa, “ An Experimental Study of Frequency Controlled Compressors,” Proc. International Compressor Engineering Conference at Purdue, pp.297 – 304, 1982.

[23] F. Yamada et al., “ Development of Air Conditioning Control Algorithm for Building Energy Saving, “ Proc. of The 1999 IEEE, International Conference on Control Applications, pp.1579 – 1584, 1999.

[24] Kalman I. Krakow, Lin Sui, and Shu Zeng Zhao, “ Temperature and Humidity Control During Cooling and Dehumidifying by Compressor and Evaporator Fan Speed Variation,” ASHRAE Transactions, Vol.101, no.1, pp. 292-304, 1995.

[25] Henry Nasution, “Variable Speed Drives of Reciprocating Compressor for Air Conditioning : Literature Review,” SAINSTEK, Vol. VI, no.1, pp.25 - 39, September 2003.

[26] Henry Nasution and Mat Nawi Wan Hassan, “ Saving Energy for Air Conditioning with Variable Speed and Proportional Control System,” Proc. Malaysia Science and Technology Congress 2003, pp.843 – 850, September 2003.

[27] Henry Nasution and Mat Nawi Wan Hassan, “Variable Speed Motor of Compressor for Energy Saving of Air Conditioning,” Proc. International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion 2003, pp.053-1 – 053-9, December 2003.

[28] Faye C. McQuiston and Jerald D. Parker, Heating Ventilating, and Air Conditioning Analysis and Design, John Wiley, 1994.

Gambar 1. Instalasi pengujian

9

15.0

17.0

19.0

21.0

23.0

25.0

27.0

29.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Time (Minute)

Tem

pera

ture

(o C

)

50 Hz 45 Hz 40 Hz 35 Hz30 Hz 25 Hz 20 Hz P Control

Reference temperature

Gambar 3. Distribusi temperatur

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Time

Ener

gy (k

W.h

)50 Hz 45 Hz40 Hz 35 Hz30 Hz 25 Hz20 Hz P Control

Gambar 4. Konsumsi energi

Tabel 1. Penelitian tentang penggunaan sistem kontrol pada sistem pendingin No. Years Author Title Objective Explanation Controller

1 1982 Schuman Digital Parameter adaptive control of an air conditioning plant

Adjustable speed Fan DDC

2 Lloyd Variable speed compressor motors operated on inverter

Adjustable speed Compressor Manual

3 1984 Nesler & .Stoecker Selecting the proportional and integral constants in the DDC of discharge air temperature

Supply air flow

Valve and Damper PI

4 1985 Lim & Hang Air conditioning & Ventilating control using industrial process control strategy

Supply air flow Damper P & PI

5 1986 Nesler Automated controller tuning for HVAC applications Supply air flow Damper PI

6 1988 Riegger Variable speed compressor performance Adjustable speed Compressor Manual

7 Millier Laboratory efficiency comparisons of modulating heat pump components using adjustable speed drives

Adjustable speed

Compressor & Blower Manual

8 Ishii On the superior dynamic behavior of a variable rotating speed scroll compressor

Adjustable speed Compressor Manual

9 1990 Ishii. Mechanical efficiency of a variable speed scroll compressor

Adjustable speed Compressor Manual

10 1990 Hirano & .Shigeoka The scroll compressor with variable capacity control mechanism for automotive air conditioning

Variable capacity Valve Manual

11 Garstang Variable frequency speed control of refrigeration compressor – Part.1 News General General

12 1991 Huang &.Nelson A PID – law – combining fuzzy controller for HVAC apllications

Simulation process HVAC Process HVAC PID, Fuzzy

13 1993 Ho Development and evaluation of a software package for self tuning of three term DDC controller

Simulation (self tuning PID

program)

Valve, room, cooling coil. PID DDC

14 1994 Takebayashi Performance improvement of variable speed controlled scroll compressor for household air conditioners

Adjustable speed Compressor Manual

15 Huang & Nelson Rule development and adjustment strategies of a fuzzy logic controller for an HVAC system : Analysis

Development of rule based FL HVAC Fuzzy

16 Huang & Nelson Rule development and adjustment strategies of a fuzzy logic controller for an HVAC system : Experiment Supply air flow Damper PID, Fuzzy

17 Huang &.Nelson Delay time determination using an artificial neural network Supply air flow Damper NN

18 .Ling & Dexter Expert control of air conditioning plan Supply air flow Damper Fuzzy, Predictive

19 1995 Krakow Temperature and humidity control during cooling and dehumidifying by compressor and evaporator fan speed variation

Numerical model for adjustable speed

Compressor & Evaporator Fan PID

20 1996 Qureshi & Tassao Variable speed capacity control in refrigeration Review paper General General

21 1997 Huang &.Lam Using GA to optimize controller parameters for HVAC Simulation of heating Boiler PI

22 1998 Chen. Membership function optimization of fuzzy control basedon GA

Simulation performance Evaporator Fuzzy

23 Kim Modeling on the performance of an inverter driven scroll compressor

Numerical model for adjustable speed Compressor Manual

24 Tassuo & Qureshi Comparative performance evaluation of positive displacement compressors in variable speed refrigeration application

Adjustable speed Compressor Manual

25 Jeannette

Experimental results of predictive Neural Network HVAC controller Hot Water Boiler PID, NN

26 Rock & Wu Performance of fixed, air side economizer and NN demand controlled ventilation in CAV system Supply air flow Fan NN

27 1999 Yamada. Development of air conditioning control algorithm for building energy saving

Online monitoring energy AC system Fuzzy, NN

28 1999 Ho An application of fuzzy logic to control the refrigerant distribution for the multi type air conditioner

Adjustable refrigerant

Linear expansion valve. Evaporator Fuzzy

29 Salsbury A practical algorithm for diagnosing control loop problem

Simulation of supply air flow Damper PI

30 Hernandez Implementation of a fuzzy logic expansion valve control for small refrigeration systems

System air conditioner

Expansion Valve PD,ID,PID, Fuzzy

31 2001 Koury

Numerical simulation of variable speed refrigeration system

Adjustable speed Compressor On-off

32 Park. Performance analysis on a multi type inverter air conditioner

Variable capacity

Expansion valve Manual

33 2002 Deng The application of feed-forward control in a direct expansion (DX) air conditioning plant

Variable capacity

Thermostat expansion valve.

Evaporator Feed-forward