Aplikasi Sistem Thermal Energy Storage pada Sistem Pengkondisian Udara di Indonesia

Transkripsi

1 1 Aplikasi Sistem Thermal Energy Storage pada Sistem Pengkondisian Udara di Indonesia Ghalya Pikra, Tri Admono Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia ( LIPI ) Jalan Sangkuriang Komplek LIPI Gedung 20 Lantai 2, Bandung ghalyapikra@yahoo.com ABSTRAK Studi aplikasi sistem thermal energy storage pada sistem pengkondisian udara telah diaplikasikan di beberapa pusat pertokoan yang ada di Jakarta. Jenis beban tarif listrik yang diterapkan PT. PLN terbagi dalam dua bagian, yaitu tarif beban puncak dan tarif luar waktu beban puncak. Tarif listrik beban puncak adalah dua kali lebih tinggi dari tarif luar waktu beban puncak. Thermal energy storage (TES) adalah metode manajemen energi yang dilakukan untuk mengurangi biaya operasi pada sistem pengkondisian udara khususnya pada periode beban puncak. Studi ini dikhususkan pada peluang aplikasi TES pada tarif listrik untuk sebuah pusat pertokoan di Jakarta. Dua jenis sistem pengkondisian udara yaitu sistem chiller konvensional jenis air cooled dan sistem TES full storage jenis air cooled telah dipelajari. Hasil menunjukkan untuk estimasi beban pendinginan sebesar 440 TR bahwa aplikasi thermal energy storage full storage jenis air cooled dapat mengurangi biaya operasi tahunan sampai 19 % dibandingkan dengan sistem chiller konvensional jenis air cooled. Kata kunci: Thermal energy storage, sistem pengkondisian udara, tarif listrik, biaya operasi ABSTRACT The paper presents a study of thermal energy storage application for air conditioning system of a shopping centre in Jakarta. There are two classifications of electrical tariff in Indonesia such as on-peak load tariff and off-peak load tariff. The tariff of on-peak load is twice higher of off-peak load tariff. Thermal energy storage (TES) is the method of energy management that could be applied for reducing operation cost of air conditioning system especially on peak load period. The study concerning the possibility application of this method based on Indonesian electrical tariff was conducted for a shopping centre in Jakarta as a case study. Two type air conditioning system such as conventional central air cooled system and thermal energy storage with air cooled chiller have been studied. The results showed that for estimated cooling load around 440 TR the application of TES air cooled ice chiller system could reduce annual operation cost up to 19 % relatively from conventional central air cooled system. Keywords: Thermal energy storage, air conditioning system, electrical tariff, operation cost 1. PENDAHULUAN Energi merupakan unsur penting dalam kehidupan manusia. Setiap manusia membutuhkan energi untuk beraktivitas dalam kehidupan [1]. Peningkatan harga bahan bakar minyak (bbm) di dunia sangat berpengaruh terhadap beban listrik yang harus dibayar konsumen, hal ini karena pembangkit listrik milik PT. PLN masih banyak menggunakan bbm dalam mengoperasikannya. Jenis tarif listrik PT. PLN terbagi ke dalam dua bagian, yaitu tarif waktu beban puncak dan tarif luar waktu beban puncak. Periode beban puncak dimulai dari pukul WIB dan tarif luar waktu beban puncak dari pukul WIB. Tarif beban puncak ditetapkan dua kali lipat dari tarif luar waktu beban puncak. Indonesia merupakan negara tropis dengan kelembaban relatif tinggi yang jauh dari kondisi nyaman. Dengan kondisi tersebut, sistem pengkondisian udara diperlukan untuk mendukung

2 2 aktivitas manusia pada kondisi nyaman khususnya pada pusat pertokoan bahkan sampai pukul WIB. Pada distribusi udara dingin. Beberapa cool gedung-gedung komersial, biaya storage dapat digunakan untuk operasional sistem pengkondisian udara mencapai 70% dari total biaya listrik. penyimpanan ulang melalui pendinginan bebas [3]. Biaya tersebut akan meningkat manakala Makalah ini mempelajari peluang sistem masih berjalan pada waktu beban puncak ( WIB). Untuk melakukan penghematan energi pada gedung komersial, aplikasi sistem pengkondisian udara yang cocok untuk Indonesia harus dirancang. Sistem aplikasi cool thermal energy storage pada sistem pengkondisian udara yang cocok dengan tarif listrik di Indonesia untuk mengurangi biaya operasional listrik pada gedung komersial. Disini dipilih pusat pertokoan di Jakarta sebagai objek studi. TES adalah teknologi manajemen energi yang bertujuan untuk mengurangi biaya pemakaian listrik pada waktu beban 2. DATA GEDUNG DAN ESTIMASI puncak tanpa harus mengurangi BEBAN PENDINGINAN kenyamanan dari pengguna. Thermal Gambar 1 menunjukkan denah energi dapat disimpan dalam bentuk gedung pusat pertokoan yang digunakan panas laten dan sensibel seperti panas sebagai objek studi pada makalah ini. laten fusi air (es) atau material lain atau Lokasi gedung ini berada di Bekasi dan panas sensibel air sejuk. Air memiliki terdiri atas 2 lantai dengan luas lantai panas laten tertinggi pada fusi untuk keseluruhan m 2. Pusat pertokoan semua jenis material (334 kj.kg -1 ) pada dibuka dari pukul 9.00 titik cair atau titik beku 0 o WIB. C). PCM Kondisi temperatur yang dirancang di (phase change material) selain air yang dalam gedung adalah 24 o C ± 1 o C dan biasanya digunakan untuk thermal kelembaban relatif 55% ± 10% [4]. storage memiliki panas laten fusi 95,4 Temperatur udara luar diasumsikan kj.kg -1 dan titik cair atau titik beku konstan selama selang satu jam. Warna 8,3 o C [1]. Volume yang diperlukan untuk dinding gedung diasumsikan berwarna menyimpan energi dalam bentuk panas medium. Banyaknya penghuni di dalam laten lebih kecil dibandingkan dengan gedung adalah 1750 orang. Laju volume panas sensibel, yang akan mengurangi udara luar adalah 7,5 cfm/orang. biaya investasi [2]. Untuk gedung-gedung Perhitungan beban pendinginan komersial, storage dapat memberikan beroperasi selama 16 jam. keuntungan sinergi. Sebagai catatan, cool storage dapat diintegrasikan dengan rt1 sm1 K1 K2 sm11 (a)

3 3 sm2 rt2 fc (b) Gambar 1. Denah gedung, (a) lantai 1 dan (b) lantai 2. Perhitungan beban pendinginan didasarkan pada metode Total Equivalent Temperature Difference (TETD) [5]. Gambar 2 menunjukkan estimasi beban pendinginan selama setahun. Beban pendinginan maksimum terjadi pada bulan Desember sebesar 440 TR. Gambar 3 menunjukkan beban pendinginan total harian pada bulan Desember. Pada Gambar 3, beban pendinginan harian maksimum terjadi pada pukul WIB. 500 eban Pendinginan, TR B Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Aug Sep Okt Nov Des Bulan Gambar 2. Beban pendinginan total. R 500 Beban Pendinginan, T Gambar 3. Beban pendinginan tiap jam pada bulan Desember.

4 4 3. ALTERNATIF SISTEM PENGKONDISIAN UDARA Gambar 4. Sistem pemipaan dari sistem konvensional jenis air cooled chiller [6] Tanki Ekspansi AHU 7 AHU 6 AHU 5 AHU 4 AHU 3 AHU 2 AHU 1 CHWP1 CHWP2 CHWP3 CH1 CH2 CH3 Gambar 5. Skematik diagram sistem chiller konvensional jenis air cooled [6] Dua sistem pengkondisian udara telah dipilih untuk mencari sistem terbaik yang akan digunakan pada penelitian ini, yaitu sistem chiller konvensional jenis air cooled dan sistem thermal energy storage full storage jenis air cooled [6]. Prinsip kerja sistem chiller ini adalah mesin pendingin kompresi uap dengan evaporator yang digunakan untuk mendinginkan air (chilled water) hingga mencapai temperatur kira-kira 5 o C hingga 6 o C dan air dingin inilah yang didistribusikan ke unit pendingin (fan coil/air handling unit) sebagai pendingin udara ruangan yang dikondisikan. Distribusi air dingin ke unit pendingin dilakukan dengan merancang sistem pemipaan dan pompa. Sistem pemipaan

5 5 dari air cooled chiller dapat dilihat pada Gambar 4, untuk mengatasi beban pendinginan puncak sebesar 440 TR (ton refrigerasi) digunakan 3 unit air cooled chiller dengan kapasitas pendinginan masing-masing chiller sebesar 232 TR. Tujuan utama sistem TES adalah mengurangi biaya operasi dengan mengoptimalkan penggunaan listrik pada Pada dasarnya ada dua strategi operasi utama, yaitu full storage dan partial storage. Partial storage dibagi lagi ke dalam dua jenis, yaitu partial storage demand limiting dan partial storage load leveling. TES full storage mengoperasikan chiller dengan kapasitas penuh pada periode luar waktu beban puncak untuk Sistem menggunakan 3 pompa air dingin masing-masing berkapasitas 558 GPM (gallon per minute), dengan head 58 m dan daya motor 37 kw [6]. Skematik diagram sistem pemipaan untuk sistem ini ditunjukkan pada Gambar 5. periode luar waktu beban puncak dan mengurangi penggunaan listrik pada periode waktu beban puncak. mendinginkan refrigeran sekunder pada sistem TES. Selama periode puncak, chiller dimatikan dan proses pengkondisian udara ruangan diatasi oleh pendinginan fluida sistem TES. Sistem ini memerlukan kapasitas pendinginan yang besar pada chiller dan tangki storage. Strategi operasi full storage ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6. Strategi operasi full storage [1] Gambar 7. Strategi operasi partial storage demand limiting [1].

6 6 Gambar 8. Strategi operasi partial storage load leveling [1]. Metode kedua adalah partial storage demand limiting. Untuk sistem ini, pada beban puncak, beban pendinginan diatasi oleh fluida pendinginan sistem TES dan chiller beroperasi pada kapasitas pendinginan parsial. Kapasitas chiller dan tangki storage dirancang lebih rendah dari full storage. Operasi strategi partial storage Skematik aliran refrigeran pada siklus charging ditunjukkan pada Gambar 9. Pengisian ice storage system biasanya terjadi pada malam hari saat Luar Waktu Beban Puncak (LWBP). Ice chiller mensirkulasi glycol (anti beku) pada temperatur rendah untuk mendinginkan iceball di dalam tangki ice storage system dan menyebabkan iceball membeku. Perpindahan panas pada iceball meningkatkan temperatur glycol, yang nantinya akan disirkulasikan kembali untuk didinginkan oleh ice demand limiting ditunjukkan pada Gambar 7. Partial storage load leveling digunakan bila besarnya beban puncak berada di atas beban rata-rata. Jenis ini juga digunakan bila perbedaan tarif antara periode beban puncak dan luar waktu beban puncak tidak signifikan. Operasi strategi ini ditunjukkan pada Gambar 8. chiller. Siklus pengisian akan diulang sampai akhir pengisian. Pada beberapa kasus, ada beban pendinginan yang harus diatasi oleh gedung selama periode pengisian, dan memungkinkan untuk melakukan pengisian dan pendinginan gedung serta untuk mengisi tangki ice storage system secara simultan. Base chiller dapat dipasang untuk mengatasi beban pada malam hari. Skematik dari proses charging and night cooling dapat dilihat pada Gambar 10. Gambar 9. Skematik aliran refrigeran proses charging [6].

7 7 Gambar 10. Skematik aliran refrigeran dari proses charging dan night cooling [6]. Gambar 11. Skematik aliran refrigeran untuk proses discharging [6]. Gambar 12. Skematik aliran refrigeran untuk proses discharging dan cooling [6]. Pada discharging, ice chiller dimatikan dan beban pendinginan gedung secara langsung diatasi hanya oleh ice storage system. Hal ini akan memberikan penghematan maksimum pada biaya operasi selama WBP. Skematik dari proses discharging dapat dilihat pada Gambar 11. Pada bagian discharging dan pendinginan, ice chiller diatur bekerja pada kondisi siang hari. Glycol didinginkan dulu oleh ice storage system. Discharging dari ice storage system bergantung kepada beban gedung. Siang hari dengan beban gedung yang lebih tinggi dapat digunakan keduanya, chiller dan ice storage system, dan siang hari dengan beban gedung rendah dapat sepenuhnya digunakan ice storage system tanpa harus mengoperasikan ice chiller. Chiller baseload diperlukan untuk dipasang saat ada permintaan beban pada malam hari untuk gedung. Skematik dari proses discharging and cooling dapat dilihat pada Gambar 12.

8 8 Tangki Ekspansi AHU 7 AHU 6 AHU 5 AHU 4 AHU 3 AHU 2 AHU 1 Pompa HE Tangki Storage HE ICH1 ICH2 ICH3 ICHP1 ICHP2 ICHP3 Gambar 13. Skematik sistem TES full storage jenis air cooled [6]. Aplikasi TES dengan full storage proses discharging memerlukan ice chiller, pompa air dingin, heat exchanger, pompa refrigeran sekunder, tangki storage dan air handling unit (AHU). Pada penelitian kali ini TES full storage air cooled chiller dirancang dengan menggunakan 3 unit ice chiller, 3 unit pompa air dingin dan 1 unit pompa refrigeran sekunder. Dengan kapasitas pendinginan ice chiller sebesar 241 TR dan 578,4 GPM, head sebesar 22 m dengan daya motor sebesar 15 kw dipilih untuk mengatasi beban pendinginan. Spesifikasi teknik pompa refrigeran sekunder adalah 1147 GPM, dengan head 36 m dan daya motor 45 kw. Skematik gambarnya ditunjukkan pada Gambar ANALISIS ASPEK EKONOMI Evaluasi biaya operasi didasarkan pada tarif listrik lokal. Tarif listrik gedung-gedung komersial termasuk ke dalam industri. Tarif listrik Indonesia dibagi ke dalam dua kategori, periode luar waktu beban puncak dengan biaya Rp 680,00 kwh -1 dan tarif waktu beban puncak dengan biaya Rp 1.360,00 kwh -1. Tarif ini harus ditambahkan dengan biaya beban sebesar Rp ,00 kva -1. bln -1. Periode luar waktu beban puncak dimulai dari pukul sampai dengan pukul

9 , dan periode waktu beban puncak dimulai dari pukul sampai dengan pukul Untuk sistem chiller konvensional jenis air cooled ini dengan EER (efficiency effective ratio) sebesar 9,5 Btu.Watt - 1.h -1, biaya listrik sebesar 1,2 kw.tr -1. Dengan waktu operasi dari pukul WIB, evaluasi konsumsi daya listrik dan biaya operasi listrik tahunan ditunjukkan pada tabel 1 dan tabel 2. Konsumsi daya listrik spesifik untuk aplikasi thermal energy storage air cooled ice chiller adalah 1,2 kw/tr. Bila waktu charging dari pukul WIB, evaluasi konsumsi daya listrik dan biaya operasi listrik tahunan untuk sistem ini ditunjukkan pada tabel 3 dan tabel 4. Grafik profil beban untuk sistem ini ditunjukkan pada Gambar 14. Tabel 1. Konsumsi daya listrik harian untuk sistem chiller konvensional jenis air cooled. No. Waktu operasi Beban Chiller Pompa Konsumsi listrik, kw TR kw kw LWBP WBP , , , , , Tabel 2. Biaya operasi listrik tahunan untuk sistem chiller konvensional jenis air cooled. KWh Rp/kWh Hari/Thn Rp/Thn LWBP 5, ,076,879, WBP 2, , ,161,159, Biaya beban 31, ,480, Total 2,538,519,474.58

10 10 Tabel 3. Konsumsi daya listrik harian untuk sistem TES full storage jenis air cooled. Waktu Beban Charging Discharging Pompa, kw Pemakaian kw No. Operasi TR TR kw TR kw Chiller Air LWBP WBP , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, ,89 0 0,00 261,89 314,27 0,00 45,00 45,00 0, ,50 0 0,00 266,50 319,80 0,00 45,00 45,00 0, ,35 0 0,00 278,35 334,02 0,00 45,00 45,00 0, ,55 0 0,00 290,55 348,67 0,00 45,00 45,00 0, ,84 0 0,00 313,84 376,61 0,00 45,00 45,00 0, ,42 0 0,00 338,42 406,10 0,00 45,00 45,00 0, ,28 0 0,00 373,28 447,93 0,00 45,00 45,00 0, ,88 0 0,00 395,88 475,06 0,00 45,00 45,00 0, ,56 0 0,00 415,56 498,67 0,00 45,00 45,00 0, ,84 0 0,00 433,84 520,60 0,00 45,00 45,00 0, ,76 0 0,00 440,76 528,91 0,00 45,00 0,00 45, ,79 0 0,00 438,79 526,55 0,00 45,00 0,00 45, ,44 0 0,00 412,44 494,93 0,00 45,00 0,00 45, ,60 0 0,00 395,60 474,72 0,00 45,00 0,00 45, ,72 0 0,00 375,72 450,87 0,00 45,00 0,00 45, ,57 0 0,00 352,57 423,09 0,00 45,00 45,00 0, , ,6 0,00 0,00 45,00 0,00 912,60 0, , , , ,80 360,00 720, ,80 225,00 Tabel 4. Biaya operasi listrik tahunan untuk sistem TES full storage jenis air cooled. kwh Rp.kWh -1 Hari/Tahun Rp/Tahun LWBP 7.795,80 680,00 300, ,00 WBP 225, ,00 300, ,00 Biaya Beban , ,00 Total ,00 TR Beban Pendinginan, Discharging Charging Waktu, Jam Gambar 14. Grafik Profil beban sistem TES full storage jenis air cooled.

11 11 5. KESIMPULAN Sistem pengkondisian udara dirancang untuk mempertahankan kualitas udara di dalam gedung pada kondisi design untuk kenyamanan penghuni. Hasil penelitian menunjukkan, TES full storage jenis air cooled dapat mengurangi biaya operasi tahunan sampai 19%. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa ada peluang bagi sistem TES full storage jenis air cooled untuk dikembangkan di Indonesia karena dapat mengurangi biaya pemakaian listrik sehingga dapat dilakukan penghematan energi pada sistem pengkondisian udara. [6] Ghalya Pikra, 2006, Studi aplikasi penyimpan energi thermal untuk sistem pengkondisian udara sebuah mall di Bekasi, Teknik Mesin ITB, Bandung. 6. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih disampaikan kepada Kepala Puslit. Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI yang telah memfasilitasi penelitian ini dan kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penulisan makalah ini. 7. DAFTAR PUSTAKA [1] American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc., 1999, HVAC Applications, ASHRAE Handbook, Atlanta, Chapter A33 hal. 24. [2] Holness, G.V.R.,1987, Thermal storage forum: Industrial plants offer opportunities, ASHRAE Journal 9(5): [3] Meckler, M., 1992, Design of integrated fire sprinkler piping and thermal storage systems: Benefits and challenges, ASHRAE Transactions 98(1): [4] American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc., 2005, HVAC Fundamentals, ASHRAE Handbook, Atlanta, Chapter A33 hal.5. [5] , 1965, Handbook of Air Conditioning System Design, Carrier Handbook, Mc-Graw Hill. USA.