natural cooling - E-learning UPN JATIM

NATURAL COOLING
Makalah Pendinginan Alami
Tugas Fisika Bangunan 1
Sistem Pendinginan Alami menjadi salah satu elemen yang cukup menentukan untuk
menjaga kenyamanan penghuni tempat tinggal.
Pada makalah ini akan di jelaskan lebih dalam tentang apa itu pendinginan alami dan juga
contoh dan macamnya.
ADAM ARRAHMAN 1451010047
PENDAHULUAN
Bayangkan pada saat anda berjalan
di siang hari, di jalan-jalan kota besar.
Bayangkan
matahari
bersinar
terik,
membuat anda berkeringat kepanasan.
Kemudian anda berjalan memasuki suatu
supermarket atau toko, hal apa yang
pertama
kali
anda
rasakan?
Pada
umumnya anda akan merasakan bahwa
udara panas di luar akan berubah seketika menjadi udara sejuk di dalam ruangan.
Setiap kali anda mengalami hal ini, anda sedang menikmati suatu sistem teknologi
modern yang dikenal sebagai air conditioning. Air conditioning adalah sistem
pengaturan
suhu
dan
kelembaban
untuk
kenyamanan
thermal
manusia. Penggunaan sistem air conditioning yang semakin meningkat di berbagai
pertokoan, kantor-kantor, kendaraan pribadi, gedung sekolah dan kampus menjadi
hal yang biasa dalam kehidupan kita sehari-hari. Tren perkembangan penggunaan
sistem air conditioning menunjukkan perkembangan yang sangat pesat di seluruh
dunia.
Sayangnya, konsumsi energi listrik pada sistem air conditioning konvensional
relatif sangat tinggi. Konsumsi energi listrik yang begitu besar menuntut daya listrik
yang besar pula. Mengingat bahwa listrik pada umumnya masih dihasilkan oleh
bahan bakar fosil, penggunaan air conditioning secara tidak langsung juga
berkontribusi secara signifikan terhadap emisi gas rumah kaca. Emisi gas rumah
kaca menyebabkan peningkatan efek pemanasan global. Karena suhu lingkungan
makin panas, makin banyak industri dan rumah tangga yang menggunakan
perangkat AC dan menyebabkan emisi gas rumah kaca yang semakin banyak. Hal
ini membuat siklus emisi dan pemborosan energi yang tiada habisnya.
PENJELASAN
Mengingat bahwa menghambat laju penggunaan sistem air conditioning adalah
hal yang nyaris mustahil, diperlukan solusi ramah lingkungan untuk sebuah sistem
air conditioning baik dari segi proses maupun dari sumber energi yang digunakan.
Solusi untuk masa depan untuk pemenuhan energi yang berkelanjutan memerlukan
sebuah sistem yang menggunakan energi terbarukan dan sekaligus ramah
lingkungan.
Salah satu sistem yang memiliki prospek kedepan dalam hal air conditioning
dengan energi terbarukan adalah sistem solar thermal cooling, pendinginan ruangan
dengan menggunakan panas matahari. Menghasilkan udara yang dingin dengan
menggunakan panas matahari sekilas tampak konyol. Pada umumnya matahari
dikenal selama berabad-abad sebagai sumber panas. Namun dengan menggunakan
teknologi modern, ada beberapa proses thermal yang dapat menggunakan energi
panas matahari untuk menggerakkan suatu proses pendinginan.
Salah satu proses thermal yang dapat digunakan untuk menggerakkan proses
pendinginan adalah suatu proses refrigerasi yang dikenal sebagai absorption
chilling. Secara umum, suatu sistem refrigerasi bertugas untuk memindahkan energi
panas dari suatu ruangan tertutup ke lingkungan, agar suhunya lebih rendah dari
suhu lingkungan.
Berikutnya akan dijelaskan tentang:
1.
Prinsip Umum Sistem Refrigerasi Modern
2.
Perbedaan Proses Refrigerasi Konvensional dengan Sistem Solar Thermal
Cooling
3.
Keunggulan Utama Sistem Solar Thermal Cooling
1.
Prinsip Umum Sistem Refrigerasi
Tentu saja secara alami energi panas hanya dapat berpindah dari benda
bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Untuk terus menerus
memindahkan energi panas dari ruangan yang dingin ke lingkungan yang lebih
panas diperlukan suatu sistem refrigerasi.
Secara sederhana dapat dikatakan bahwa sistem refrigerasi harus memiliki
“bagian dingin” dan “bagian panas”. Agar ruangan menjadi lebih dingin, energi
panas harus diserap dari dalam ruangan oleh “bagian dingin” sistem refrigerasi
dan dibuang melalui “bagian panas” sistem refrigerasi. Tentu saja sesuai
hukum ke-2 thermodinamika, tidak mungkin suatu siklus sistem apapun dapat
bekerja secara kontinu memindahkan energi panas dari “bagian dingin” ke
“bagian panas” tanpa memerlukan input energi dari luar. Pada penggunaan air
conditioning, umumnya input energi ini berupa energi listrik yang digunakan
untuk menggerakkan kompresor mekanik. Lalu bagaimana sebuah sistem
refrigerasi modern bekerja?
Sistem
refrigerasi
modern
memanfaatkan sifat cairan yang
dapat menyerap kuantitas panas
yang besar pada saat penguapan
(evaporasi)
dan
melepaskan
kuantitas panas yang besar pada
saat pengembunan (kondensasi).
Baik evaporasi dan kondensasi
dapat terjadi pada suhu tertentu
yang dikenal sebagai titik didih
atau titik embun. Nilai titik didih
atau titik embun ditentukan oleh tekanan fluida. Pada tekanan yang tinggi, titik
didih akan menjadi lebih tinggi dan pada tekanan yang lebih rendah, titik didih
akan menjadi lebih rendah.
Jika kita turunkan tekanan suatu fluida sehingga suhu didihnya menjadi
lebih rendah daripada suhu ruangan, maka fluida tersebut akan mendidih dan
menguap (evaporasi). Untuk berubah fase dari cairan menjadi gas, fluida
memerlukan energi panas. Energi panas ini akan diambil oleh fluida dari
ruangan sehingga ruangan akan menjadi dingin dan panas digunakan oleh
fluida untuk berubah wujud menjadi fase gas. Komponen yang mengakibatkan
evaporasi dikenal sebagai evaporator.
Setelah fluida menyerap aliran kalor dari ruangan dan berubah menjadi
gas, energi panas yang berhasil diserap harus dibuang ke lingkungan luar.
Akan tetapi tekanan fluida masih rendah, jika diekspos langsung ke “bagian
panas” dari sistem, fluida ini malah akan menyerap lebih banyak panas karena
titik didih masih lebih rendah daripada suhu lingkungan. Agar energi panas
dapat dibuang, fluida dalam bentuk gas ini harus memiliki titik didih yang lebih
tinggi daripada lingkungan luar. Supaya titik didih lebih tinggi, tekanan fluida
harus dinaikkan. Komponen yang berfungsi untuk menaikkan tekanan fluida
dikenal sebagai kompresor. Setelah melalui kompresor, tekanan fluida akan
menjadi lebih tinggi.
Setelah melalui kompresor, fluida akan memiliki tekanan dan titik didih
yang lebih tinggi dari lingkungan. Karena titik didih fluida lebih tinggi dari
lingkungan, proses kebalikan dari apa yang terjadi di evaporator terjadi. Fluida
gas akan berubah wujud menjadi cair (kondensasi) dan membuang aliran
energi panas ke lingkungan. Agar siklus lengkap, supaya fluida dapat dialirkan
ke evaporator lagi tekanan fluida harus diturunkan oleh alat yang dikenal
sebagai expansion valves.
2.
Perbedaan Proses Refrigerasi Konvensional dengan Sistem Solar
Thermal Cooling
Lalu dimanakah letak perbedaan antara sistem refrigerasi dengan listrik
biasa dan dengan panas matahari? Pada prinsipnya tidak ada perbedaan
kecuali pada bagaimana fluida dapat dinaikkan titik didihnya sehingga dapat
mengembun
(kondensasi) pada
kondenser. Pada
sistem biasa
yang
menggunakan input listrik, titik didih ini dicapai dengan menggunakan kompresi
mekanik. Pada sistem pendingin yang menggunakan energi matahari, titik didih
ini dicapai dengan menggunakan “kompresi thermal”. Bandingkan gambar
siklus di bawah ini dengan diagram skema pendinginam konvensional pada
gambar sebelumnya.
Bagaimanakah kompresi thermal bekerja? Kompresi thermal bekerja
dengan menggunakan kombinasi generator, absorber,
pompa dan heat
exchanger untuk menggantikan kerja kompresor. Fluida yang praktis untuk
digunakan adalah campuran air dengan LiBr. Fungsi dari penggunaan larutan
LiBr adalah untuk menaikkan titik didih dari air, namun menurunkan tekanan
uap saturasi dari air.
Fluida bersuhu dan tekanan rendah memasuki “bagian dingin” evaporator
dan menguap dengan menyerap energi panas dari lingkungan. Setelah melalui
evaporator, uap fluida bersuhu dan tekanan rendah memasuki absorber yang
memiliki larutan yang rendah kadar airnya. Larutan ini menyerap refrigerant
dan bertambah kadar airnya. Proses penyerapan ini bersifat eksothermik
sehingga energi panas dibuang ke lingkungan pada proses ini. Larutan yang
kadar airnya tinggi dipompa sehingga larutan bergerak memasuki generator.
Pada generator, energi di supply dengan menggunakan energi panas
matahari,
sehingga uap air terbentuk pada tekanan yang tinggi. Uap
bertekanan tinggi ini diembunkan di kondenser sehingga melepas energi panas
ke
lingkungan.
air
yang
telah
berkondensasi
diturunkan
tekanannya
menggunakan expansion valves lalu dikembalikan ke evaporator dan begitu
siklus terus berlanjut. Pada proses ini, input energi panas matahari pada
generator menggantikan input energi listrik pada kompresor. Di sini digunakan
pompa juga untuk mengalirkan fluida namun dayanya jauh lebih kecil daripada
daya
kompressor
(dapat
diabaikan).
Penyerapan
panas
terjadi
pada
evaporator, sama dengan sistem konvensional dan pembuangan panas terjadi
pada absorber dan kondenser.
Dengan menggunakan sistem yang dikenal
sebagai absorption chilling ini, energi listrik yang mahal dapat digantikan oleh
panas matahari menggunakan proses kompresi. Jika panas matahari sedang
tidak mencukupi dapat di backup juga dengan menggunakan pemanas gas.
3.
Keunggulan Sistem Pendingin Tenaga Matahari
Keunggulan penggunaan energi matahari pada proses air conditioning
adalah pada kesesuaian kronologis antara waktu supply (penyediaan energi)
dan pada waktu demand (permintaan energi) yang terjadi pada saat yang
bersamaan. Karena sumber panas utama adalah matahari, hari yang sangat
panas umumnya memiliki kebutuhan pendinginan yang besar namun memiliki
input energi matahari yang besar sebagai kompensasi. Begitu juga pada saat
matahari sedang lemah pancarannya maka kebutuhan pendinginan umumnya
menjadi kecil juga. Karena waktu supply dan demand yang hampir bersamaan
maka tidak dibutuhkan tangki penyimpanan thermal yang terlalu besar untuk
mengatasi pengaruh musim. Hal ini memberikan sistem solar cooling
keuntungan ekonomis jika kita memiliki area yang cukup luas untuk kolektor
matahari. Untuk negara dengan empat musim sistem solar cooling pun dapat
diubah menjadi solar heating pada musim dingin.
Keuntungan lingkungan dari sistem solar cooling adalah bahwa tidak ada
dampak lingkungan dari penggunaan LiBr karena tidak menambah efek rumah
kaca. Walaupun ada berbagai permasalahan teknis dan ekonomis seperti
butuhnya area kolektor yang cukup luas atau cuaca yang tak terduga, hal ini
bisa diatasi dengan berbagai teknik. Salah satu saja dari contoh solusinya
adalah dengan menggunakan kombinasi hybrid dengan sistem sumber energi
gas alam, ditambah dengan tangki thermal storage dan sistem insulasi yang
baik, jika diperhitungkan resiko emisi, keuntungan ekonomis dan energi tetap
secara umum lebih baik jika dibandingkan dengan menggunakan sistem yang
berbasis listrik jaringan saja. Apalagi dengan makin menipisnya persediaan
bahan bakar fosil dunia, penggunaan energi matahari dan berbagai sumber
daya energi terbarukan lainnya akan memegang peranan yang semakin
penting dalam dinamika energi global.