karakteristik water chiller

The quantities of cooling load and the condition of air in air conditioning system at a large building always change. In the air conditioning system using water chiller, the change of two main components influences the water chiller performance. This paper will discuss the characteristics of water chiller on the alteration of those main components using a cycle that is generally used in the air conditioning system at a large building - the steam compression cycle with intercooler and the standard steam compression cycle with refrigerant R 22. Both of them are assumed to run on ideal condition so it is expected to reach an optimum working area from each water chiller cycle. Then the control system design can be chosen on appropriate working area. Finally, it will be able to save electrical energy used in AC machines.

Keywords: water chiller, cooling load, air conditioning

1. Pendahuluan

Dari hasil penelitian untuk kebutuhan energi yang dipergunakan pada hotel-hotel berbintang (Yogyakarta: Ambarukmo, Garuda, Sahid Garden, Mutiara, Jakarta: Sari Pasific, Mandarin, Denpasar: Bali Beach Hotel) diperoleh suatu hasil bahwa konsumsi energi listrik rata-rata setiap meter persegi luas lantai bangunan sebesar 12,65 kWh/m² per bulan.

Kesimpulan lain, bahwa energi listrik merupakan energi terbesar yang dipergunakan  pada hotel-hotel berbintang tersebut. Selain energi listrik, energi lain yang dipergunakan adalah bahan bakar yang meliputi energi solar, residu, bensin, gas dan lainnya. Sedangkan kebutuhan energi total  sebesar 31,41 Watt/m2. Konsumsi energi listrik tertinggi dari seluruh pemakaian energi listrik ternyata  dipakai untuk energi listrik mesin-mesin pengkondisian udara (mesin- mesin AC). Sekitar 53% dari seluruh energi listrik dikonsumsi untuk mesin mesin AC, sedang sisanya dikonsumsi untuk energi lampu, energi pompa dan energi lain. Oleh karena itu sudah sewajarnya bila dalam rangka penghematan energi, kita memperhitungkan konsumsi energi untuk mesin mesin AC seoptimal mungkin.

Pada umumnya sistem pengkondisian udara pada hotel berbintang, atau bangunan besar lainnya seperti: mall, komplek pertokoan, gedung bertingkat, rumah sakit, pabrik industri, ataupun gedung olah raga mempergunakan sistem pengkondisian udara sentral dengan water chiller, karena bangunan-bangunan tersebut mempunyai beban pendinginan yang relatif besar. Pada kenyataannya besarnya beban pendinginan pada bangunan berubah-ubah setiap saat, demikian pula kondisi udara luar. Perubahan ini tentu berdampak pada kondisi kerja water chiller, yang pada  akhirnya bila sistem kontrol tidak bekerja pada daerah yang tepat dari siklus water chiller akan memerlukan konsumsi energi listrik yang tidak hemat. Penulis tertarik untuk mengetahui pengaruh perubahan beban pendinginan dan perubahan kondisi udara luar terhadap unjuk kerja dari water chiller dengan meninjau dua siklus yang biasa dipakai pada sistem pengkondisian udara.     

Beban pendinginan total dari water chiller adalah besarnya kalor yang diterima refrigeran pertama dari refrigeran kedua yang berlangsung di evaporator (dari chiller). Perubahan beban pendinginan pada water chiller dapat disebabkan antara lain karena adanya perubahan-perubahan:  jumlah penghuni ruangan, aktivitas penghuni, pemakaian ruangan, pemakaian alat-alat listrik, kondisi udara luar maupun lampu penerangan. Komponen beban pendinginan meliputi: panas sensibel, panas laten, ventilasi udara luar dan sumber sumber panas lain. Yang termasuk sumber panas sensibel: perpindahan panas melalui bangunan, penyinaran matahari, perembesan atau kebocoran udara luar, panas lampu penerangan, panas benda-benda yang suhunya lebih tinggi yang dibawa masuk ruangan, panas penghuni, panas dari motor listrik, proses kimia, maupun alat-alat listrik lain. Sumber panas laten: perembesan udara luar dengan tekanan yang berbeda, kelembaban penghuni, kelembaban bahan bahan yang disimpan, kelembaban permukaan basah, proses kimia, uap air panas dll. Sedangkan ventilasi udara luar dapat menyebabkan adanya panas sensibel karena perbedaan suhu dan panas laten karena perbedaan kelembaban. Untuk sumber sumber panas yang lain, misalnya adanya kebocoran udara dari saluran udara yang dipakai pada sistem pengkondisian udara.

Bila suatu hotel berbintang, misalnya separuh dari ruangannya tidak dikondisikan udaranya, sedang ruangan lainnya bekerja pada kondisi yang normal, maka dapat diperkirakan beban pendinginannya akan berubah cukup besar. Apabila ruangan hotel yang dikondisikan itu dilakukan dengan Fan Coil Unit (FCU) atau Air Handling Unit (AHU), maka perubahan beban pendinginan di dalam ruangan akan berpengaruh terhadap kondisi refrigeran kedua yang mengalir ke FCU ataupun ke AHU. Akibatnya, kondisi refrigeran kedua yang masuk ke water chiller (melewati evaporator) mengalami perubahan, karena semua refrigeran kedua yang keluar dari FCU atau  AHU pada akhirnya menuju ke water chiller. Perubahan ini tentu berdampak terhadap unjuk kerja dari water chiller. Apabila kondenser dari water chiller didinginkan oleh udara luar ataupun oleh cooling tower yang didinginkan udara luar, maka perubahan kondisi udara luar juga akan berpengaruh terhadap unjuk kerja dari water chiller.

Penelitian secara teoritis, dilakukan terhadap siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank dan siklus kompresi uap standar. Daerah tekanan kerja untuk evaporator: 180-260 psia dan daerah kerja untuk kondenser: 75-120 psia. Refrigeran pertama dari mesin chiller: R22,  sedangkan refrigeran kedua yang dipergunakan dalam sistem pengkondisian udara: fluida air.

2. Dasar Teori

2.1.  Siklus Kompresi Uap dengan Intercooler and Flash Tank
Siklus kompresi uap dengan intercooler dalam diagram tekanan-entalpi dan diagram aliran dapat dilihat pada Gambar 1. Tekanan pertengahan (intermediate pressure) untuk daya total minimum:

2.2. Siklus Kompresi Uap Standar

Siklus kompresi uap dasar terdiri 4 proses utama : penguapan, kompresi, pengembunan dan throtling. Siklus kompresi uap standar dapat dilihat pada Gambar 2.

Laju aliran massa m1 :

Panas yang dilepas kondenser (Qkon):

3. Perhitungan dan Pembahasan

Hasil perhitungan untuk daya kompresor, panas yang dilepas kondenser dan COP untuk siklus kompresi uap standar dan siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank digambarkan  dalam Tabel 1 s.d. Tabel 6. Perhitungan didasarkan pada persamaan (1) s.d. persamaan (12). Besarnya entalpi, diperoleh dari tabel refrigeran R22. Tabel 1, 2 dan 3, merupakan hasil perhitungan untuk water chiller dengan siklus kompresi uap standar, sedang Tabel 4, 5, dan 6 untuk siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank.

Dari tabel terlihat, bahwa perubahan kondisi kerja water chiller, yaitu perubahan terhadap tekanan kerja evaporator dan tekanan kerja kondenser berpengaruh terhadap daya kompresor, laju pelepasan kalor, maupun COP dari water chiller. Dengan demikian bila besar beban pendinginan yang diterima evaporator dari water chiller  berubah-ubah,  maka dapat dimungkinkan adanya suatu sistem kontrol yang dapat mengatur perubahan kondisi kerja dari water chiller. Pemilihan daerah kondisi kerja water chiller, tentunya dipilih yang menghasilkan harga COP, yang membutuhkan konsumsi energi sehemat mungkin.  

Tabel 3 dan 6, memperlihatkan harga COP dari masing masing siklus. Dari kedua tabel itu terbaca, bahwa harga COP untuk siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank mempunyai harga yang lebih besar. Dari konsumsi energi, tentu akan lebih menguntungkan pemilihan mesin dengan harga COP yang tinggi.  

4. Kesimpulan

1. Harga COP mesin water chiller dengan siklus kompresi uap dengan intercooler and flash tank mempunyai harga yang lebih besar dari siklus kompresi uap standar.
2. Perubahan kondisi kerja water chiller, yang meliputi harga tekanan evaporator maupun tekanan kondenser dapat mengikuti perubahan besarnya beban pendinginan.

Daftar Pustaka

Ashrae Guide and Data Book, 1963, Application, American society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc.
Ashrae Guide and Data Book, 1963, Fundamentals and Equipment, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc.
Carrier Air Conditioning Company, Handbook Air Conditioning
Edward G Pita, 1981, Air Conditioning Principles and System an Energy approach, John Wiley & Sons, Toronto
G. Harjanto dkk., 1988, Konsumsi Energi Hotel Hotel Berbintang, Seminar Perpindahan Panas dan Massa, PAU-Ilmu Teknik UGM.
R.S. Khurmi, J.K. Gupta, 1995, Refrigeration and Air Conditioning, Eurasia Publishing House(P) Ltd, New Delhi-110055.