PENGUJIAN KINERJA TERMAL PEMANAS AIR TENAGA SURYA
diserap oleh kolektor. Penelitian material insulasi dengan berbagai variasi ketebalan (Colle 2001).
Stratifikasi termal didalam tanki menjadi mekanisme penting untuk PATS dengan termosifon (Knudsen, 2001). Dalam beberapa tahun terakhir, banyak penelitian teoritis dan eksperimental untuk meningkatkan perpindahan panas dalam kolektor PATS menggunakan pendekatan dan metode yang berbeda (Tai Li W et al., 2018; Mandal et al., 2020, Vengadesan et.al 2020).
Pada makalah ini, akan dibahas pengujian kinerja termal PATS dan persyaratan mutunya mengacu pada aturan SNI 3021-1992 Edisi ke-1 (satu). Pengujian kinerja termal unit PATS terdiri dari 3 sub pengujian, yaitu:Termosifon, Sistem Tangki-Kolektor dan Kolektor.
Selain 3 sub uji kinerja termal di atas masih ada sub pengujian kinerja pemanas tambahan, juga uji keandalan sistem dan kolektor yang terdiri dari 5 sub pengujian seperti uji stagnasi suhu tinggi, uji beban kejut, uji penetrasi air hujan, uji tekanan dalam alur pipa kolektor, dan terakhir uji korosi. Sub-sub pengujian ini tidak dibahas dalam makalah ini.
Pengujian kinerja termal ini dilakukan pada satu sampel uji unit PATS komersial yang dipilih secara acak dari produk-produk yang terdapat di pabrik pembuatannya. Pengujian dilakukan menggunakan fasilitas pengujian outdoor pemanas air tenaga surya yang terdapat di Balai Besar Teknologi Konversi Energi (B2TKE) BPPT di kawasan Puspiptek Tangerang Selatan. Fasilitas ini disediakan mampu untuk melayani uji mutu produk PATS komersial berdasarkan SNI maupun ISO.
Berikut ini disajikan hasil pengujian SNI 3021-1992 Edisi ke-1 (satu) sebuah sampel unit PATS yang merupakan sebuah produk domestik.
PATS yang diuji berkapasitas 150 liter air dengan luas kolektor 1.6 m2, serta pemanas tambahan 1000 Watt.
BAHAN DAN METODE
Fasilitas uji ini merupakan sistem pengujian menggunakan cahaya matahari alami di luar ruangan, diperuntukkan melayani pengujian untuk mendapatkan karakterisitik termal produk PATS komersial maupun prototipe hasil riset. Karena itu fasilitas uji ini terdiri dari rig uji yang terletak di luar ruangan yang bebas dari halangan, yang dilengkapi dengan sensor-sensor pengukuran, yang terhubung dengan ruang kontrol dan sistem akusisi data.
Di dalam ruang kendali ini dilengkapi perangkat kendali temperatur yang didukung oleh komponen pemanas listrik dan unit pendingin, yang digunakan untuk mengendalikan temperatur fluida sehingga temperatur fluida yang masuk ke kolektor dapat diatur relatif konstan pada uji efisiensi kolektor. Selain itu reservoir air bersih tersedia untuk suplai fluida saat pengujian. Untuk memantau unjuk kerja alat serta ketahanannya, dilakukan pengambilan data melalui 9 buah sensor yang dipasang pada alat maupun di sekitar alat (pada kondisi lingkungan). Sensor terdiri dari beberapa sensor pengukur temperatur: temperatur air, temperatur permukaan plat penyerap, temperatur udara ambien. Radiasi matahari dipantau menggunakan pyranometer yang dipasang sesuai dengan posisi kemiringan kolektor, sedangkan laju aliran air menggunakan flowmeter. Data-data hasil pengukuran dimonitor dan direkam menggunakan data logger.
Pengambilan data dilakukan setiap 10 detik dan data rata-rata yang diperoleh selama interval waktu 10 menit direkam ke dalam hard disk pada komputer untuk selanjutnya dievaluasi.
Gambar 1. Test rig dan ruang kontrol PATS Uji Termosifon
Pengujian ini ditujukan untuk melihat dan menentukan dinamika temperatur air dalam tangki penyimpaan air panas PATS, temperatur air maksimum yang dapat dicapai serta untuk menentukan faktor kehilangan panas dari tangki penyimpan, dan untuk menentukan kemampuan maksimum menghasilkan dan penyimpanan air panas pada kondisi sistem PATS beroperasi stagnan, tanpa mengoperasikan pemanas tambahan.
Pada hari sebelum pengujian dimulai, air dingin dialirkan ke seluruh sistem hingga terisi penuh untuk mengkondisikan keadaan awal sistem. Sistem PATS ini dioperasikan selama sedikitnya 120 jam sehingga dicapai temperatur maksimum tangki lebih dari 70oC. Pada hari terakhir, dilakukan pembuangan air panas yang sudah tersimpan tersebut, dengan laju sekurang- kurangnya 1 liter/menit dan sebesar-besarnya
sama dengan kapasitas tangki penyimpan dibagi dua jam. Variabel yang diukur dalam pengujian ini adalah temperatur inlet sistem, temperatur outlet kolektor, temperatur tangki/outlet sistem, temperatur ambient, laju aliran, dan insolasi, selama 24 jam.
Gambar 2. Skema pengujian PATS Dari pengujian ini diperoleh data harian untuk menghitung parameter-parameter:
• Persentase kenaikan dan penurunan temperatur tangki rata-rata, dengan mengamati temperatur maksimum tangki yang diperoleh pada siang hari yang dicapai dan penurunan temperatur tanki minimum pada malam hingga pagi hari berikutnya.
• Faktor rugi-rugi termal tangki penyimpan rata-rata, Data yang digunakan pada perhitungan ini adalah data malam hari sejak radiasi tidak ada atau minim, biasanya diambil antara jam 18 – 06. Perhitungan ini untuk menentukan harga Uls rata-rata tangki.
Persamaan yang digunakan (BSN, 2017):
−
= −
−
− am b f sto
am b i sto s
p
ls T T
T T t A
C
U M ln
.
.
(1) Dengan Ttank-i adalah temperatur tangki pada awal pengukuran, Ttank-f temperatur tangki diakhir pengukuran, As luas permukaan efektif tangki, t adalah selang waktu pengukuran. Faktor kehilangan ini tak boleh melebihi 1.75 W/m2.K
• Temperatur tangki maksimum yang dapat dicapai pada siang hari.
• Energi tersimpan maksimum dalam tangki pada proses stagnasi, yang diperoleh dari perhitungan energi yang dibuang dalam proses pengeluaran air panas secara terus menerus pada akhir proses pengujian
termosifon ini, setelah temperatur tangki mencapai maksimum.
Pengujian Sistem
Pengujian kinerja sistem ini mirip dengan pengujian termosifon temperatur stagnasi, hanya pembuangan air panas dilakukan setiap sore hari, dan pengisian air dingin hingga kolektor dan tanki penuh dilakukan setiap pagi hari.
Perhitungan terhadap data-data pengujian dilakukan untuk mendapatkan parameter- parameter uji efisiensi harian sistem ղd, jumlah energi tahunan, klasifikasi PATS dan Fraksi Matahari. Penghitungan efisiensi harian, prediksi perolehan energi tahunan, fraksi matahari dan klasifikasi PATS dilakukan dengan pengujian termosifon harian dimulai pagi hari dan operasi pembuangan panas pada sore/malam hari, dilakukan setiap hari pada berbagai radiasi matahari. Pengujian dilakukan sehingga diperoleh efisiensi sistem PATS harian pada berbagai rentang radiasi harian 1 hingga 7 kWh/m2/hari, pengujian ini membutuhkan banyak data harian setidaknya 14 hari yang tersebar dalam rentang radiasi harian tersebut. Dari sebaran data harian efisiensi ini dapat diplot sehingga dengan interpolasi dan ekstrapolasi perolehan kalor tahunan maupun kalor klasifikasi unit PATS dapat dihitung:
) 42 348 530 420 174 48 8
( d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 C
dT A
Q = + + + + + +
(2) dimana:
di: efisiensi PATS rata-rata pada insolasi harian sebesar 1,2,3,4,5,6 dan 7 kWh/m2.QdT : jumlah energi tahunan yang diperkirakan dapat dipasok oleh PATS (dalam kWh) AC : luasan efektif kolektor, m2.
Tabel 1. Klasifikasi PATS (BSN,2017;
ASHAE,1986)
Kelas MJ KWh
I Lebih dari 14.000 Lebih dari 3.889 II 12.000 s/d 14.000 3.333 s/d 3.889 III 10.000 s/d 12.000 2.778 s/d 3.333 IV 8.000 s/d 10.000 2.222 s/d 2.778
Dengan prediksi perolehan kalor tahunan ini dapat dihitung fraksi matahari unit PATS dengan asumsi penggunaan air panas oleh orang dewasa dapat dianggap 45 liter pada 60 oC per hari. Karena air potable dalam unit PATS dari tempeartur awal 30 oC, maka kebutuhan air panas tiap orang dewasa dapat dihitung dalam setahun.
Klasifikasi sistem PATS sesuai SNI ditentukan
dari prediksi perolehan kalor tahunan berdasarkan referensi kolektor seluas 4m2 yang dapat dilihat pada Tabel 1. Luas kolektor pengujian saat ini 1,6m2 dilakukan perhitungan persamaan (2) dan hasilnya dikalikan sesuai rasio perbedaan terhadap referensi 4m2 agar bisa diklasifikasikan sesuai Tabel 1.
Pengujian Kolektor Surya
Pengujian ini bertujuan untuk menghitung efisiensi termal kolektor surya. Skema pengukuran diberikan pada gambar 1 skema uji di atas, hanya seluruh jalur air menuju tangki ditutup, aliran air diatur masuk dan keluar kolektor saja.
Laju aliran fluida kerja (air) diusahakan pada laju yang menghasilkan aliran turbulen, untuk kasus PATS ini direkomendasikan sekitar 2 - 2.5 liter/menit (minimal 0.0136 kg/(det.m2) [Perers et al,1990], dengan perubahan maksimum sebesar 1%. Tekanan fluida sekitar 2.4 bar (minimal 2 bar) harus diperoleh. Laju angin yang melintasi kolektor maksimum 4.5 m/det.
Temperatur air inlet kolektor dikendalikan sehingga air masuk kolektor cenderung stasioner pada temperatur tertentu, dan bila radiasi matahari mencukupi, temperatur input kolektor ini idealnya dikondisikan pada sedikitnya 3 daerah stasioner dari 32oC hingga 60oC, misalkan 400C, 500C, 600C. Pengubahan setelan kendali temperatur ini sebaiknya dilakukan sedikitnya setiap hari.
Akumulasi radiasi surya adalah hasil perhitungan dengan asumsi linieritas selama 10 menit data direkam, sehingga diperoleh radiasi surya setiap meter persegi yang dikumpulkan selama waktu sampling.
Perhitungan efisiensi (sesaat) kolektor didasarkan pada formula (BSN, 2017) :
T a c avg lc
c T
u
C G
T xF T
U xF xA x
G
W ( − )
−
=
= −
(3)
Wu adalah perolehan panas sesaat, adalah faktor transmisi kaca, adalah absorptivitas absorber, Ac adalah luas kolektor, Fp adalah efisiensi absorber, ICtot adalah radiasi surya dalam watt/m2, Ulc adalah faktor rugi-rugi termal kolektor, C adalah efisiensi kolektor sesaat.
Efisiensi harian dapat dihitung dari akumulasi perolehan panas dan radiasi sesaat selama seharian pengujian. Semua perhitungan rugi-rugi termal dan efisiensi kolektor valid bila didasarkan pada data yang diperoleh dari insolasi harian lebih besar dari 4 kWh/m2.
Dengan mem-plot dalam garis linier C
terhadap (Tavg-c –Tamb)/ ICtot untuk tiap sampel,
dapat diperoleh persamaan Y=a - b X, sehingga bila Y adalah C dan X adalah (Tavg-c –Tamb)/ICTot
, maka b adalah Ulc.Fp. Dengan memilih data-data radiasi yang melebihi 599 W/m2 dengan rata-rata diatas 630 W/m2, dan mengumpulkannya dalam satu grafik hubungan linier C terhadap (Tavg-c – Tamb)/ ICtot, maka koefisien rugi-rugi termal UlcxFp
dapat ditentukan. Dengan asumsi FP adalah 0.85 (harga yang diperoleh dari manufakturer), maka harga Ulc dapat dihitung. Persyaratan harga Ulc ini diacukan pada SNI 3021-1992 Edisi ke-1 (satu), yaitu 7 W/m2.K. Radiasi yang masuk ke kolektor harus dalam keadaan tunak, untuk itu temperatur inlet dan laju aliran harus dapat dijaga pada harga yang relatif konstan (BSN, 2017).
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Termosifon
Pengujian termosifon dilakukan selama 6 hari, hasil pengujian termosifon diberikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Perhitungan hasil pengujian termosifon.
Dari pengujian termosifon diperoleh nilai persentasi penurunan temperatur tangki, yaitu:
(Ttank-maks –Ttank-min)/Ttank-maks sebesar 18.42 %, angka ini cukup besar. Diharapkan faktor kehilangan panas ini dapat di bawah 10%. Rugi- rugi ini dapat diakibatkan isolasi tangki maupun kolektor, karena pada malam hari maupun cuaca dingin, kolektor dapat menjadi media pelepas panas. Temperatur stagnasi maksimum tangki pada proses termosifon ini manpu mencapai lebih di atas 70oC Sedangkam perhitungan faktor rugi- rugi termal tangki dari persamaan (1) diperoleh harga koefisien rugi-rugi termal tangki rata-rata adalah 1.21 W/m2.K, dimana dibawah nilai standar SNI sebesar 1.75 W/m2.K, sedangkan kalor terkumpul maksimum pada proses pembuangan air panas hari terakhir diperoleh 20.77 MJ dengan temperatur saat pembuangan adalah 68.24oC. Rugi-rugi termal pada tanki dapat disebabkan oleh stratifikasi termal air dingin dan air panas rusak karena aliran air dingin yang masuk tanki akibat desain yang kurang baik atau
ketebalan insulasi tanki tidak mencukupi untuk mencegah panas keluar tanki (Chang, 2004).
Pengujian kolektor
Dengan mengatur pemanas listrik dengan temperatur air yang masuk ke kolektor dapat divariasikan dari 35oC, 40 oC, 45 oC, 50 oC, dan 55
oC, dan pompa utama dinyalakan dan keran disetel agar laju aliran air dalam sirkulasi antara 2-2.5 lt/men (120-150 lt/jam).
Gambar 3. Plotting efisiensi kolektor sesaat Tabel 3. Hasil pengujian kolektor
Tabel 3 dapat dilihat hasil efisiensi harian berkisar 38.19 - 59.86%, dengan rata-rata 47.98%, semua perhitungan berdasarkan data insolasi harian di atas syarat 4 kWh/m2. Dari plot data sesuai Gambar 3 diperoleh persamaan linier sehingga hasil plot grafik efisiensi kolektor sesaat mendapatkan harga Ulc 7.58 W/m2.K, di atas standar yang disyaratkan yaitu 7 W/m2.K. Efisiensi kolektor surya merupakan satu bagian penting dalam sistem PATS, karena menentukanperolehan kalor yang kinerja sistem keseluruhan. Hasil pengujian satu unit sampel di atas masih dapat dikategorikan kurang baik, efisiensi rata-rata yang diperoleh cukup rendah, diharapkan dapat melebihi 50 %, dan demikian juga koefisien rugi-rugi termal yang diharapkan kurang dari 4 W/m2.K agar efisiensinya lebih baik.
Pengujian Sistem
Pengujian efisiensi sistem dilakukan selama selama 21 hari dengan hasil perhitungan diberikan pada Tabel 4. Rentang efisiensi sistem PATS harian adalah 39,14% hingga 47,50%. Nilai ini masih dibawah nilai efisiensi sistem PATS harian 53,8-55,9% hasil penelitian yang dilakukan oleh Yeh HM, 1986. Berdasarkan persamaan (2) juga diperoleh prediksi perolehan pertahun 1081,6 kWh sesuai luasan kolektor uji 1,6m2. Klasifikasi PATS sesuai Tabel 1 dapat dilakukan dengan normalisasi ke luas 4m2 sesuai rasio (2,5 kali) menjadi 2704 kWh (kelas IV).
Tabel 4. Perhitungan hasil pengujian efisiensi sistem
Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa rugi-rugi termal pada tanki masih dibawah nilai standar SNI dan rugi-rugi termal pada kolektor surya diatas nilai standar SNI.
Penyempurnaan pada kolektor surya perlu dilakukan. Kinerja termal dari kolektor juga bergantung pada efisiensi optik kaca penutup, desain dan sifat termal dari pelat absorber.
Pemilihan jenis pelat absorber yang selektif dapat mengurangi kerugian radiasi (Jasangkar, 2011) KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Hasil pengujian kapasitas panas PATS sesuai SNI 3021-1992 Edisi ke-1 (satu), sampel uji memiliki kemampuan penyerapan panas pada uji stagnasi adalah 19.68 MJ. Temperatur tangki maksimum dapat mencapai diatas 70oC, dan
faktor rugi-rugi termal tangki sebesar 1.21 W/m2.K, di bawah 1.75 W/m2.K sesuai SNI.
Efisiensi termal kolektor berkisar 38.19 - 59.86%, dengan rata-rata 47.98%. Nilai rugi-rugi pada kolektor adalah 7.58 W/m2.K, di atas standar SNI yaitu 7 W/m2.K. Hal ini menjadi penyebab rentang efisiensi sistem PATS harian adalah 39,14% hingga 47,50%, yang relatif masih dibawah 50%. Penyempurnaan pada kolektor surya perlu dilakukan. Klasifikasi unit PATS sebesar 2704.04 kwh menempati kelas IV sesuai SNI.
Saran
Berdasarkan pengujian tersebut menunjukkan bahwa kinerja PATS dipengaruhi rugi-rugi panas pada material, koneksi dan proses pengerjaannya baik pada kolektor surya maupun tanki. Produk PATS perlu dilakukan uji petik, agar kualitas produk PATS yang beredar dipasaran dapat lebih terjamin.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Jaisangkar S., Ananth J., Thulasi S.,Jayasuthakar S.T., Sheeba K.N., “A comprehensive review on solar water heaters”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, pp.3045-3050, 2011.
[2] Mittal M.K,Varun, Saini RP, Singal SK.
Effective efficiency of solar air heaters havingdifferent types of roughness elements on the absorber plate. Energy, Vol 32, Edisi 5, pp.739–45, 2007.
[3] Gao W, Lin W, Liu T, Xia C. Analytical and experimental studies on the thermal performance of cross-corrugated and flat- plate solar air heaters. Applied Energy, Vol 84, Edisi 4, pp.425–41, 2007.
[4] Colle S, Abreu SL, Glitz K, Colle F.
Optimization of the auxiliary heating and water storage insulation of a low cost domestic hot water heating system with an electric shower. In: Proceedings of ISES Solar World Congress. 2001.
[5] Knudsen S, Furbo S, Shah LJ. Design of inlet to the mantle in a vertical mantle storage tank.
Proceedings of ISES Solar World Congress.
2001.
[6] Vengadesan E, Senthil R. “A review on recent development of thermal performance enhancement methods of flat plate solar water heater. Solar Energy. Vol.206, pp.935-961, 2020.
[7] Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Domestik Sistem Termosifon Langsung Dengan Pemanas Tambahan, BSN, SNI. 3021-1992 Edisi ke-1 (satu). Nov 2017
[8] Dagdougui H., Uammi A., Robba M., Sacille R., Thermal analysis and performance optimization of a solar water heater flat plate collector: Application to Tetouan (Morocco), Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol.15, pp.630-638, 2011.
[9] Chang J.M., A. Characteristic Heat Removal Efficiency for Thermosyphon Solar Water Heaters During the System Application Phase Transaction of Conference on the Use of Solar Energy, University of Arizona; Vol.126, pp.
950-956, 2004.
[10] Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collector, ANSI/ASHRAE standard, 93-1986.
[11] Yeh H.M, Chen L.C., ‘A study on thermosyphon solar water heater with parallel flat plate collector’, Energy, Vol.1, No.6, pp.579-588, 1986.
[12] Tai Li W, Thirugnanam K., Tushar W, Yuen C., “Improving of the solar water heater system in green building via optimized control startegies”. IEEE Transaction on Industrial Informatics Vol 14 Issue 4:
pp.1646-1655, 2018.
[13] Mandal S., Kumar S., “Experimental investigation of double pass solar water heater by using reflector”, Renewable Energy Vol 149: pp.631-640, 2020.
.