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 40135
[email protected] 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 17.00 ÷ 22.00 WIB dan tarif luar waktu beban puncak dari pukul 22.00 ÷ 17.00 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
aktivitas manusia pada kondisi nyaman bahkan sampai pukul 23.00 WIB. Pada gedung-gedung komersial, biaya operasional sistem pengkondisian udara mencapai 70% dari total biaya listrik. Biaya tersebut akan meningkat manakala sistem masih berjalan pada waktu beban puncak (17.00 ÷ 22.00 WIB). Untuk melakukan penghematan energi pada gedung komersial, aplikasi sistem pengkondisian udara yang cocok untuk Indonesia harus dirancang. Sistem TES adalah teknologi manajemen energi yang bertujuan untuk mengurangi biaya pemakaian listrik pada waktu beban puncak tanpa harus mengurangi kenyamanan dari pengguna. Thermal energi dapat disimpan dalam bentuk panas laten dan sensibel seperti panas laten fusi air (es) atau material lain atau panas sensibel air sejuk. Air memiliki panas laten tertinggi pada fusi untuk semua jenis material (334 kJ.kg-1) pada titik cair atau titik beku 0oC). PCM (phase change material) selain air yang biasanya digunakan untuk thermal storage memiliki panas laten fusi 95,4 kJ.kg-1 dan titik cair atau titik beku 8,3oC[1]. Volume yang diperlukan untuk menyimpan energi dalam bentuk panas laten lebih kecil dibandingkan dengan panas sensibel, yang akan mengurangi biaya investasi [2]. Untuk gedung-gedung komersial, storage dapat memberikan keuntungan sinergi. Sebagai catatan, cool storage dapat diintegrasikan dengan
khususnya pada pusat pertokoan distribusi udara dingin. Beberapa cool storage dapat digunakan untuk penyimpanan ulang melalui pendinginan bebas [3]. Makalah ini mempelajari peluang 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. 2. DATA GEDUNG DAN ESTIMASI BEBAN PENDINGINAN Gambar 1 menunjukkan denah gedung pusat pertokoan yang digunakan sebagai objek studi pada makalah ini. Lokasi gedung ini berada di Bekasi dan terdiri atas 2 lantai dengan luas lantai keseluruhan 12.000 m2. Pusat pertokoan dibuka dari pukul 9.00 ÷ 22.00 WIB. Kondisi temperatur yang dirancang di dalam gedung adalah 24oC ± 1oC dan kelembaban relatif 55% ± 10%[4]. Temperatur udara luar diasumsikan konstan selama selang satu jam. Warna dinding gedung diasumsikan berwarna medium. Banyaknya penghuni di dalam gedung adalah 1750 orang. Laju volume udara luar adalah 7,5 cfm/orang. Perhitungan beban pendinginan beroperasi selama 16 jam.
rt1 sm1 K1
K2
(a)
sm11
3
rt2 fc sm2
(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 17.00 WIB.
400 300 200 100 0 Jan Feb Mar Apr Mei Jun
Jul Aug Sep Okt Nov Des
Bulan
Gambar 2. Beban pendinginan total. Beban Pendinginan, TR
500 400 300 200 100 0 00 .0 0 02 - 01 .0 .00 0 05 - 03 . .0 00 0 07 - 06 . .0 00 0 09 - 08 .0 .00 0 11 - 10 . .0 00 0 13 - 12 . .0 00 0 15 - 14 . .0 00 0 17 - 16 .0 .00 0 19 - 18 . .0 00 0 21 - 20 . .0 00 0 23 - 22 .0 .00 000 .00
Beban Pendinginan, TR
500
Gambar 3. Beban pendinginan tiap jam pada bulan Desember.
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 5oC hingga 6oC 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
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
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
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
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 13. 4. 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 31.300,00 kVA-1.bln-1. Periode luar waktu beban puncak dimulai dari pukul 22.00 sampai dengan pukul
9
17.00, dan periode waktu beban puncak dimulai dari pukul 17.00 sampai dengan pukul 22.00. 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 07.00 ÷ 23.00 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 23.00 ÷ 07.00 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
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
07.00-08.00 08.00-09.00 09.00-10.00 10.00-11.00 11.00-12.00 12.00-13.00 13.00-14.00 14.00-15.00 15.00-16.00 16.00-17.00 17.00-18.00 18.00-19.00 19.00-20.00 20.00-21.00 21.00-22.00 22.00-23.00
Beban TR 261.89 266.50 278.35 290.55 313.84 338.42 373.28 395.88 415.56 433.84 440.76 438.79 412.44 395.60 375.72 352.57
Chiller kW 314.27 319.80 334.02 348.67 376.61 406.10 447.93 475.06 498.67 520.60 528.91 526.55 494.93 474.72 450.87 423.09
Pompa kW 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00 74.00
5,784.00
6,940.80
1,184.00
Konsumsi listrik, kW LWBP WBP 388.27 393.80 408.02 422.67 450.61 480.10 521.93 549.06 572.67 594.60 602.91 600.55 568.93 548.72 524.87 497.09 5,278.82
2,845.98
Tabel 2. Biaya operasi listrik tahunan untuk sistem chiller konvensional jenis air cooled. LWBP WBP Biaya beban Total
KWh 5,278.82 2,845.98
Rp/kWh 680.00 1,360.00 31,300.00
Hari/Thn 300.00 300.00
Rp/Thn 1,076,879,583.63 1,161,159,890.95 300,480,000.00 2,538,519,474.58
10
Tabel 3. Konsumsi daya listrik harian untuk sistem TES full storage jenis air cooled. No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Waktu Operasi 24.00-01.00 01.00-02.00 02.00-03.00 03.00-04.00 04.00-05.00 05.00-06.00 06.00-07.00 07.00-08.00 08.00-09.00 09.00-10.00 10.00-11.00 11.00-12.00 12.00-13.00 13.00-14.00 14.00-15.00 15.00-16.00 16.00-17.00 17.00-18.00 18.00-19.00 19.00-20.00 20.00-21.00 21.00-22.00 22.00-23.00 23.00-24.00
Beban TR 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 261,89 266,50 278,35 290,55 313,84 338,42 373,28 395,88 415,56 433,84 440,76 438,79 412,44 395,60 375,72 352,57 0,00
Charging TR kW 723 867,6 723 867,6 723 867,6 723 867,6 723 867,6 723 867,6 723 867,6 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 0 0,00 7230 867,6
Discharging TR kW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 261,89 314,27 266,50 319,80 278,35 334,02 290,55 348,67 313,84 376,61 338,42 406,10 373,28 447,93 395,88 475,06 415,56 498,67 433,84 520,60 440,76 528,91 438,79 526,55 412,44 494,93 395,60 474,72 375,72 450,87 352,57 423,09 0,00 0,00
Pompa, kW Chiller Air 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 45,00 0,00
Pemakaian kW LWBP WBP 912,60 0,00 912,60 0,00 912,60 0,00 912,60 0,00 912,60 0,00 912,60 0,00 912,60 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 0,00 45,00 45,00 0,00 912,60 0,00
5.784,00
5.784
5.784,00
360,00
7.795,80
6.940,80
6.940,80
720,00
225,00
Tabel 4. Biaya operasi listrik tahunan untuk sistem TES full storage jenis air cooled. kWh 7.795,80 225,00
LWBP WBP Biaya Beban Total
Rp.kWh-1 680,00 1.360,00 31.300,00
Hari/Tahun 300,00 300,00
Rp/Tahun 1.590.343.200,00 91.800.000,00 375.600.000,00 2.057.743.200,00
800 Beban Pendinginan, TR
Discharging 600
Charging
400
200
24 .0 00 02 1.0 0 .0 003 04 .00 .0 00 06 5.00 .0 00 08 7.0 0 .0 009 10 .00 .0 01 12 1.0 0 .0 013 .00 14 .0 01 16 5.0 0 .0 017 18 .00 .0 01 20 9.0 0 .0 02 22 1.0 0 .0 023 .00
0 Waktu, Jam
Gambar 14. Grafik Profil beban sistem TES full storage jenis air cooled.
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. 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):24-25. [3] Meckler, M., 1992, “Design of integrated fire sprinkler piping and thermal storage systems: Benefits and challenges”, ASHRAE Transactions 98(1): 1140-48. [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.
[6] Ghalya Pikra, 2006, “Studi aplikasi penyimpan energi thermal untuk sistem pengkondisian udara sebuah mall di Bekasi”, Teknik Mesin ITB, Bandung.
