Discharging bertahap dilakukan dengan mencampurkan air panas dan air dingin untuk mencapai temperatur kebutuhan mandi air panas (45 °C). Pencampuran air panas dan air dingin dilakukan setiap beberapa menit dengan interval waktu yang sama. Eksperimen discharging bertahap dilakukan pada tanggal 6 Desember, 8 Desember, dan 16 Desember 2016 untuk membandingkan kondisi yang berbeda-beda.
4.3.1. Kondisi Lingkungan
Sama seperti halnya kondisi lingkungan pada eksperimen discharging kontinyu, kondisi lingkungan pada eksperimen discharging bertahap direkam selama proses charging. Lamanya proses charging dapat dilihat pada Tabel 4.7, sedangkan hasil perekaman kondisi lingkungan ditampilkan pada Gambar 4.12.
Gambar 4.12. Intensitas radiasi matahari dan temperatur udara luar proses charging pada eksperimen discharging bertahap
Tabel 4.7. Durasi waktu proses charging pada eksperimen discharging bertahap No Hari/Tanggal Awal Charging
(WIB) Akhir Charging (WIB) Durasi Waktu (menit) 1 Selasa/06-12-2016 Pk 7:54 Pk 13:04 311 2 Kamis/08-12-2016 Pk 7:34 Pk 12:49 318 3 Jum'at/16-12-2016 Pk 7:40 Pk 13:35 356
Potensi matahari paling besar ditunjukkan paling besar ditunjukkan pada tanggal 16 Desember 2016 dengan akumulasi energi radiasi sebesar 11,12 MJ/m2. Kemudian, potensi terbesar kedua ditunjukkan pada tanggal 6 Desember 2016 dengan akumulasi energi radiasi sebesar 8,75 MJ/m2. Potensi energi matahari terkecil ditunjukkan pada tanggal 8 Desember 2016 dengan akumulasi energi radiasi sebesar 7,25 MJ/m2. Berdasarkan hal tersebut, kondisi lingkungan pada ketiga eksperimen menggambarkan kondisi yang berbeda-beda.
4.3.2. Proses Charging
Dengan kondisi lingkungan yang berbeda-beda, distibusi temperatur yang terjadi pada HTF dan PCM akan berbeda pula. Metode proses charging dilakukan dengan cara yang sama dengan eksperimen discharging kontinyu. HTF direkam dengan menggunakan termokopel T11, T12, T13, T14, T15, T16, dan T17. Hasil perekaman temperatur HTF ditampilkan pada Gambar 4.13, Gambar 4.14, dan Gambar 4.15.
Gambar 4.13. Evolusi temperatur HTF selama proses charging pada tanggal 6 Desember 2016 untuk eksperimen discharging bertahap
Gambar 4.14. Evolusi temperatur HTF selama proses charging pada tanggal 8 Desember 2016 untuk eksperimen discharging bertahap
Gambar 4.15. Evolusi temperatur HTF selama proses charging pada tanggal 16 Desember 2016 untuk eksperimen discharging bertahap
Temperatur rata-rata akhir HTF pada tanggal 6 Desember, 8 Desember, dan 16 Desember 2016 berturut-turut adalah 55,07 °C, 50,62 °C, dan 61,01 °C. Temperatur akhir saat proses charging pada ketiga eksperimen sudah melebihi standar kebutuhan air panas untuk mandi (45 °C) sehingga eksperimen discharging bertahap memungkinkan untuk dilakukan.
Perekaman temperatur PCM dilakukan termokopel T5, T6, T7, T8, T9, dan T10. Jumlah PCM yang dipasangi termokopel ada 3 buah sehingga terdapat 2
termokopel pada 1 pipa PCM. Evolusi temperatur yang terjadi pada PCM selama proses charging ditunjukkan pada Gambar 4.16.
Gambar 4.16. Evolusi temperatur PCM selama proses charging pada eksperimen discharging bertahap
4.3.3. Proses Discharging
Proses discharging bertahap dilakukan dengan mengalirkan air panas ke dalam bak penampung dengan interval 15 menit. Selama proses pengeluaran air panas ke dalam bak penampung, air dingin dialirkan ke dalam tangki TES dengan debit 4 LPM. Kemudian, air panas di dalam bak penampung akan dicampur dengan air dingin untuk menghasilkan temperatur 45 °C dengan volume akhir 20 liter.
Proses discharging bertahap cenderung dapat selesai dalam kurun waktu ± 1 jam. Berdasarkan hal tersebut, proses discharging bertahap lebih cepat daripada proses discharging kontinyu. Penyebabnya bukan karena heatloss atau pelepasan energi termal yang lebih cepat, melainkan pengeluaran air dari dalam tangki TES yang lebih cepat dibandingkan discharging kontinyu. Lamanya proses discharging bertahap dapat dilihat pada Tabel 4.8.
Tabel 4.8. Durasi waktu proses discharging bertahap No Hari/Tanggal Awal Discharging (WIB Akhir Discharging (WIB) Durasi Waktu (menit) 1 Selasa/06-12-2016 Pk 13:05 Pk 13:49 45 2 Kamis/08-12-2016 Pk 12:54 Pk 13:47 54 3 Jum'at/16-12-2016 Pk 13:38 Pk 14:41 64
Pada Gambar 4.17. ditunjukkan evolusi temperatur HTF selama proses discharging bertahap dilakukan. Temperatur HTF turun secara drastis saat air panas digunakan untuk mengisi bak penampung. Setelah pengisian air panas di bak penampung selesai, temperatur meningkat secara perlahan seiring dengan waktu. Kemudian, peningkatan temperatur akan berhenti setelah air panas digunakan kembali untuk mengisi bak penampung sehingga grafik berbentuk patahan-patahan yang terjadi karena perubahan antara saat pengeluaran HTF ke dalam bak penampung dan saat pengisian air panas telah selesai. Akan tetapi, perbedaan karakteristik evolusi temperatur HTF ditunjukkan pada tangki bagian atas dengan tangki bagian tengah dan bawah. Temperatur HTF pada bagian atas
tangki (T11) terlihat turun secara perlahan dan stabil. Terjadinya perbedaan karakteristik temperatur pada HTF kemungkinan dikarenakan sifat stratifikasi air yang cenderung menyimpan energi termal pada bagian atas.
Naiknya temperatur HTF terjadi karena transfer kalor yang diberikan PCM akibat adanya perbedaan temperatur antara PCM dan HTF. PCM yang memiliki temperatur lebih tinggi akan mensuplai energinya ke HTF yang memiliki temperatur lebih rendah. Temperatur PCM direkam selama proses discharging bertahap dan ditunjukkan pada Gambar 4.18.
Pada Gambar 4.18, penurunan temperatur PCM selama proses discharging memiliki karakteristik berbentuk patahan-patahan sama seperti halnya pada HTF. Akan tetapi, bentuk patahan-patahan pada evolusi temperatur PCM tidak se-ekstrim seperti pada HTF. Penyebabnya karena jumlah energi termal yang dilepas ke lingkungan lebih besar dibandingkan laju transfer kalor PCM untuk mensuplai energi ke HTF. Oleh karena itu, apabila interval waktu pada tiap tahapan terlalu cepat, maka PCM tidak akan mampu mensuplai kalor yang cukup ke HTF.
4.3.4. Pencampuran Air Panas dan Air Dingin
Pencampuran dari air panas dan air dingin akan menghasilkan suatu air campuran. Volume dari air panas dan air dingin yang dimasukkan ke dalam bak penampung dapat dihitung berdasarkan temperatur dan volume air campuran yang diinginkan sesuai dengan contoh perhitungan tahapan pertama pada tanggal 6 Desember 2016 di bawah ini.
Diketahui : 20 liter 55,03 °C 45 °C
27,71 °C Ditanya : Volume air panas (Vp)
Jawab :
Sebelum menghitung Vp, pertama-tama digunakan persamaan 2.8. untuk mengetahui harga ρd dan ρp.
Persamaan 2.8. diulangi kembali dengan mengganti harga Td dengan Tp agar didapatkan harga ρp = 985,65 kg/m3. Dengan persamaan 2.9., harga cp,ap dan cp,ad
diketahui masing-masing adalah 4,183 kJ/kg.K dan 4,179 kJ/kg.K. Kemudian dengan persamaan 2.7. harga Vp adalah
Volume air dingin (Vd) menjadi
Tabel 4.9. Hasil pencampuran air panas dan air dingin
Temperatur air campuran yang diinginkan pada eksperimen discharging bertahap adalah 45 °C. Temperatur air rata-rata di dalam tangki yang lebih rendah dari 45 °C seharusnya tidak memungkinkan untuk mencapai temperatur yang diinginkan. Akan tetapi pada tahapan terakhir Tabel 4.9, 20 liter air panas dimasukkan ke dalam bak penampung tanpa adanya air dingin menghasilkan temperatur campuran yang lebih tinggi daripada temperatur air panas.
Meningkatnya temperatur air panas pada bak penampung dikarenakan posisi saluran air keluar yang berada di bagian atas tangki. Dengan adanya stratifikasi di dalam tangki, temperatur pada bagian atas lebih tinggi daripada bagian bawah tangki, sedangkan temperatur air yang digunakan merupakan rata-rata temperatur pada tiap lapisan-lapisan temperatur di dalam tangki sehingga temperatur yang didapatkan lebih tinggi daripada temperatur yang seharusnya. Oleh karena itu, apabila temperatur air panas di dalam tangki mendekati temperatur 45 °C, maka air panas untuk kebutuhan mandi tetap dapat terpenuhi.
Temperatur rata-rata eksperimen pada tanggal 6 Desember, 8 Desember, dan 16 Desember 2016 masing-masing adalah 46,35 °C, 43,75 °C, dan 46,08 °C. Temperatur tersebut sudah mendekati kondisi air untuk kebutuhan mandi orang dewasa, yaitu 20 liter total air campuran dengan temperatur 42-45 °C. Jika pencampuran air dengan menggunakan air panas tanpa campuran air dingin dihitung, eksperimen pada tanggal 6 Desember, 8 Desember, dan 16 Desember 2016 berturut-turut dapat dilakukan 3 kali, 2 kali, dan 5 kali untuk menghasilkan temperatur 45 °C. Hal ini berarti bahwa eksperimen pada tanggal 6 Desember, 8 Desember, dan 16 Desember 2016 masing-masing dapat digunakan untuk mandi sebanyak 3 orang, 2 orang, dan 5 orang dengan volume air 20 liter.
Seperti yang sudah dibahas sebelumnya, evolusi temperatur HTF selama proses discharging bertahap berbentuk patahan-patahan. Patahan terbentuk karena terjadi perubahan antara pengeluaran air panas dari dalam tangki TES ke dalam bak penampung dan saat menunggu pengisian bak penampung berikutnya. Hal ini dapat dibuktikan dengan melihat Gambar 4.19. Jumlah tahapan dalam tiap eksperimen sama dengan jumlah patahan yang ada pada Gambar 4.19.
Gambar 4.19. Evolusi temperatur HTF rata-rata selama proses discharging bertahap
4.3.5. Hasil Pengujian Dengan Kondisi Terbaik
Pengkajian ulang pada pengujian dengan hasil penyimpanan termal terbaik dilakukan untuk mengkaji lebih dalam proses discharging bertahap dan hubungannya dengan proses charging. Hasil pengujian terbaik ditunjukkan pada tanggal 16 Desember 2016 dengan temperatur rata-rata HTF mampu mencapai 61,17 °C. Kondisi ini dapat dicapai saat intensitas radiasi rata-rata sebesar 514,89 dan temperatur udara lingkungan rata-rata sebesar 31 °C.
Pada pengujian tanggal 16 Desember 2016, tangki TES dapat digunakan untuk kebutuhan mandi air panas sebanyak 5 kali. Berdasarkan pada Tabel 4.10, penurunan temperatur di dalam tangki TES kurang lebih sebesar 4 – 5 °C setiap kali dilakukan pengambilan air panas. Hasil pengujian tanggal 16 Desember 2016 ditampilkan pada Gambar 4.20.
(a) (b)
(b) (d)
(e)
Gambar 4.20. Hasil pengujian tanggal 16 Desember 2016 (a) temperatur HTF saat charging (b) temperatur PCM saat charging (c) temperatur HTF saat discharging (d) temperatur PCM saat discharging (e) kondisi lingkungan
Tabel 4.10. Hasil pencampuran air dingin dan air panas pada tanggal 16 Desember 2016
Stratifikasi termal pada HTF terlihat kecil di awal proses discharging dan terus membesar seiring dengan waktu. Membesarnya stratifikasi pada sistem TES memberi keuntungan pada sistem. Dapat dilihat pada Tabel 4.10, pencampuran air panas pada tahap terakhir proses discharging bertahap menggunakan air panas dengan temperatur rata-rata 42,21 °C. Akan tetapi, saat dilakukan pengukuran pada bak penampung, temperatur meningkat menjadi 45,42 °C. Hal ini terjadi karena posisi kran air panas yang berada pada tangki bagian atas.
Pada eksperimen discharging bertahap, air panas dikeluarkan dari dalam tangki TES dengan debit 4 LPM. Jumlah ini dua kali lipat lebih cepat daripada pembuangan air panas pada eksperimen discharging kontinyu. Penurunan temperatur PCM tidak se-ekstrem seperti halnya pada HTF. Akan tetapi, temperatur PCM tidak berbeda jauh dengan temperatur HTF. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa transfer kalor dari PCM masih mampu mengimbangi kecepatan kalor yang dibuang pada eksperimen discharging bertahap. Meskipun begitu, sistem TES memerlukan jeda waktu untuk mentransfer kalornya dari PCM ke HTF.
4.4. Perbandingan Karakteristik Evolusi Temperatur HTF pada Metode