Air panas gedung: pemanas bertangki dan langsung, kapasitas dan pemulihan, sirkulasi, pencampuran, energi, dan pengendalian Legionella

Pengelola sebuah asrama perawat menurunkan termostat pemanas air pusat dari 60 °C ke 45 °C untuk menghemat listrik. Penghuni tidak mengeluh, karena air pancuran tetap hangat, dan tagihan listrik turun sedikit. Beberapa bulan kemudian, pemeriksaan rutin rumah sakit menemukan bakteri Legionella di kepala pancuran beberapa kamar yang jarang dipakai dan di bagian bawah tangki pemanas.

Penghematan itu nyata, tetapi kecil, dan harganya adalah air yang disimpan dan diedarkan pada suhu yang paling disukai bakteri. Bab ini menjelaskan cara sistem air panas gedung bekerja, cara menghitung kebutuhan dan energinya, dan cara mengendalikan risiko mikroba tanpa membuat penghuni melepuh.

Batas pembahasan

Bab ini membahas jenis pemanas, kapasitas simpan dan pemulihan, energi, pencampuran, sirkulasi, rugi panas pipa, cabang mati, stratifikasi, dan pengendalian Legionella untuk air panas gedung. Pembilasan dan disinfeksi pipa dibahas dari sisi pengujian di Bab 14 tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing.

Kebutuhan panas mesin cuci dan pengisian serentak di laundry ada di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry; kalor jenis dan perpindahan panas di Bab 10 · Fisika tentang kalor, suhu, dan perpindahan panas, Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, dan Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif; mikroba di Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang sel, pertumbuhan mikroba, kontaminasi, dan pengendalian; dan tangki muai serta katup pengaman di Bab 12 tentang katup dan pengendalian air. Suhu simpan, suhu edar, suhu di titik pakai, prosedur disinfeksi termal atau kimia, dan jadwal pemeriksaan Legionella yang berlaku diambil dari pedoman kesehatan yang berlaku, SNI 8153-2015, dan petunjuk pabrik; angkanya tidak disalin.

Jenis pemanas air

Sistem air panas gedung dibedakan menjadi sistem bertangki, yang berventilasi atau tertutup, dan sistem langsung tanpa tangki; pemanas jenis langsung dipakai untuk memberi air panas pada kebutuhan maksimum tanpa penyimpanan.

1. Pemanas bertangki (storage water heater) adalah pemanas yang memanaskan air dan menyimpannya. Daya pemanasnya dapat lebih kecil daripada kebutuhan puncak, karena tangki menutup selisihnya. Kekurangannya adalah rugi panas dinding tangki dan air yang tersimpan lama.
2. Pemanas langsung (instantaneous water heater) adalah pemanas yang memanaskan air saat mengalir. Tidak ada air tersimpan, tetapi dayanya harus memenuhi debit puncak seketika (Latihan 3), sehingga sambungan listrik atau gasnya besar.
3. Pemanas tak langsung (indirect water heater) adalah pemanas yang memanaskan air domestik melalui kumparan atau penukar panas dari boiler, uap, atau pompa kalor. Pada sistem tak langsung, air pemanas boiler tidak pernah bercampur dengan air domestik, sehingga kerak dan korosi di sirkuit primer berkurang. Lubang pada kumparan seperti itu membentuk sambungan silang antara fluida pemanas dan air yang dipanaskan, seperti dijelaskan di Bab 11 tentang pencegahan aliran balik.

Di dalam gedung, pipa pasok dibagi di pemanas air menjadi sistem air panas dan air dingin. Silinder yang dipanaskan dengan sirkulasi gravitasi dapat memerlukan sekitar dua jam untuk panas penuh, sedangkan dengan pompa sirkulasi sekitar 30 menit atau kurang.

Kapasitas, pemulihan, dan energi pemanasan

Pemanas bertangki dinilai dengan dua angka: volume air panas yang dapat diambil dari tangki, dan laju pemulihannya. Laju pemulihan (recovery rate) adalah banyaknya air yang dapat dipanaskan pemanas per jam dari suhu air masuk ke suhu simpan. Laju itu dihitung dari daya pemanas:

$\dot{V} = \frac{P}{\rho \, c \, \Delta T}$

dengan $P$ daya pemanas dalam kW, $\rho$ massa jenis air sekitar 1 kg/L, $c$ kalor jenis air sekitar 4,19 kJ/(kg·K), dan $\Delta T$ kenaikan suhu dari air masuk ke suhu simpan dalam K. Dengan satuan itu $\dot{V}$ keluar dalam L/s, dan dikali 3.600 menjadi L per jam. Pada jam puncak, air yang diambil melebihi yang dipulihkan; selisihnya harus disediakan tangki. Tidak seluruh isi tangki dapat diambil pada suhu yang berguna, karena air dingin yang masuk di bawah bercampur dengan sebagian air panas. Bagian yang dapat dipakai bergantung pada rancangan tangki dan data pabrik (Contoh 2).

Energi untuk memanaskan air adalah

$Q = m \, c \, \Delta T$

dengan $Q$ energi dalam kJ, $m$ massa air dalam kg, dan $c$ serta $\Delta T$ seperti di atas; dibagi 3.600, energi itu dinyatakan dalam kWh. Energi ini tidak bergantung pada suhu simpan bila air akhirnya dipakai pada suhu campur yang sama, karena air panas yang lebih panas dicampur dengan lebih banyak air dingin (Contoh 1). Yang bergantung pada suhu simpan adalah rugi panas: dinding tangki, pipa sirkulasi, dan pipa cabang kehilangan panas sebanding dengan selisih suhunya terhadap udara sekitar. Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif menunjukkan cara menghitung rugi itu dan pengaruh isolasi.

Pada kasus pembuka, menurunkan suhu simpan dari 60 °C ke 45 °C hanya mengurangi rugi panas, bukan energi pemanasan air yang dipakai. Penghematannya sebanding dengan penurunan selisih suhu terhadap udara ruang, yang di Indonesia sekitar 30 °C, sehingga selisih turun dari sekitar 30 K ke 15 K. Penghematan yang sama dapat dicapai dengan memperbaiki isolasi pipa dan tangki tanpa menurunkan suhu. Penghematan yang jauh lebih besar datang dari sumber panas: pompa kalor air panas mengambil panas dari udara sekitar dan memberi beberapa kali energi listrik yang dipakainya, seperti siklus yang dibahas di Bab 25 · Fisika tentang siklus kompresi uap, dan pemulihan panas dari air buang laundry dibahas di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry.

Pencampuran air panas dan dingin

Air di titik pakai biasanya lebih dingin daripada suhu simpan. Solusi praktisnya adalah menyimpan air pada 60 °C lalu mencampurnya dengan katup pencampur ketika suhu lebih rendah dibutuhkan di titik keluar. Katup pencampur termostatik (thermostatic mixing valve) adalah katup pencampur yang mengatur perbandingan air panas dan air dingin secara otomatis dengan elemen yang memuai menurut suhu campuran. Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry mencatat dari pedoman keselamatan kerja Inggris bahwa katup pencampur termostatik dipasang sedekat mungkin dengan titik pakai bila ada risiko melepuh.

Bagian air panas dalam campuran dihitung dari neraca energi:

$x = \frac{T_\text{campur} - T_\text{dingin}}{T_\text{panas} - T_\text{dingin}}$

dengan $x$ bagian volume air panas dalam campuran, tanpa satuan, dan ketiga suhu dalam °C. Rumus ini menganggap kalor jenis dan massa jenis kedua aliran sama dan rugi panas di katup diabaikan. Katup yang baik menutup air panas bila air dingin hilang, sehingga penghuni tidak tersiram air panas penuh. Katup ini memerlukan pemeliharaan, karena kerak dan kotoran membuatnya lambat bereaksi, seperti dibahas di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan, pengendapan, dan kecenderungan kerak.

Sirkulasi ulang dan rugi panas pipa

Pada gedung besar, air panas di pipa yang tidak dipakai mendingin, sehingga penghuni menunggu lama dan membuang air dingin sebelum air panas keluar. Sirkulasi ulang (hot water recirculation) adalah pengaliran air panas terus-menerus melalui pipa edar dan kembali ke pemanas. Suhu air yang cukup di pipa dicapai dengan pompa sirkulasi, dan alternatif sirkulasi ulang adalah pemanas jejak listrik (heat tracing) di sepanjang pipa distribusi.

Debit sirkulasi dipilih agar penurunan suhu di sepanjang pipa edar tetap kecil:

$\dot{m} = \frac{\dot{Q}_\text{rugi}}{c \, \Delta T_\text{izin}}$

dengan $\dot{m}$ debit massa dalam kg/s, $\dot{Q}_\text{rugi}$ rugi panas total pipa edar dalam W, $c$ kalor jenis air dalam J/(kg·K), yaitu sekitar 4.190, dan $\Delta T_\text{izin}$ penurunan suhu yang diizinkan dari pemanas ke titik terjauh dan kembali dalam K (Latihan 4). Pompa sirkulasinya kecil, karena hanya mengatasi rugi gesek pipa edar pada debit kecil, dan pemilihannya mengikuti Bab 9 tentang tekanan dan pompa air gedung. Pipa edar diseimbangkan dengan katup pengatur agar semua cabang mendapat aliran; cabang yang tidak teraliri mendingin walaupun pompa bekerja.

Cabang mati dan stratifikasi

Cabang mati (dead leg) adalah pipa air panas yang tidak teraliri, misalnya cabang ke fixture yang sudah dibongkar atau kamar yang jarang dipakai. Air di dalamnya mendingin ke suhu ruang, yang di Indonesia berada di rentang tumbuh Legionella, dan diam berhari-hari. Volumenya dapat dihitung dari panjang dan diameter pipa (Contoh 3). Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry mencatat bahwa volume air antara pemanas dan titik pakai sebaiknya dibuat sekecil mungkin. Cabang mati yang tidak dipakai lagi dipotong sedekat mungkin dengan pipa edar.

Stratifikasi (stratification) adalah pelapisan air di tangki menurut suhunya: air panas yang lebih ringan berada di atas, air dingin di bawah. Termostat yang membaca bagian atas tangki dapat menunjukkan 60 °C sementara bagian bawah tetap hangat, di rentang tumbuh bakteri. Lumpur dan kerak di dasar tangki memberi tempat bakteri melekat. Pemanasan berkala seluruh isi tangki, pompa pengaduk, dan pengurasan dasar tangki menurut petunjuk pabrik mengurangi masalah ini (Contoh 6).

Pengendalian Legionella

Legionella adalah bakteri penyebab penyakit Legionnaires. Bakteri ini tumbuh optimal pada rentang 20 sampai 45 °C dan baru mati secara berarti di atas 60 °C. Bab 10 · Utilitas tentang air pendingin dan menara pendingin memakai rentang yang sama untuk air menara. Penularan terutama terjadi melalui percikan halus yang terhirup, misalnya dari pancuran, keran semprot, atau menara pendingin; air yang diminum jarang menjadi jalur penularan. Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang sel, pertumbuhan mikroba, kontaminasi, dan pengendalian menjelaskan dasar pertumbuhan dan pengendalian mikroba.

Pengendalian bertumpu pada tiga hal:

1. Suhu. Air panas disimpan dan diedarkan pada suhu yang menghambat bakteri, dan air dingin dijaga tetap dingin, menurut pedoman yang berlaku. Pemeriksaan suhu di titik terjauh pipa edar dan di titik keluar setelah dialirkan sebentar dicatat secara berkala.
2. Aliran. Air tidak dibiarkan diam: cabang mati dipotong, fixture yang jarang dipakai dialirkan berkala, dan tangki yang tidak dipakai dikuras.
3. Kebersihan. Kepala pancuran dan aerator dibersihkan dari kerak dan lendir, tangki dikuras dasarnya, dan bahan sambungan yang mendukung pertumbuhan bakteri dihindari.

Disinfeksi termal (thermal disinfection) adalah menaikkan suhu seluruh sistem untuk sementara dan mengalirkan setiap titik. Disinfeksi termal atau disinfeksi kimia dilakukan menurut prosedur tertulis karena menimbulkan bahaya melepuh dan bahaya bahan kimia. Prosedurnya dibahas dari sisi pembilasan dan disinfeksi pipa di Bab 14 tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing.

Suhu tinggi dan bahaya melepuh harus diselesaikan bersama. Katup pencampur di dekat titik pakai memungkinkan air diedarkan panas tetapi keluar pada suhu aman, terutama di kamar mandi pasien, anak, dan lansia.

Air panas untuk laundry dan dapur

Laundry dan dapur komersial sering memakai air panas dengan pola yang berbeda dari kamar mandi. Mesin cuci mengambil air panas dalam jumlah besar pada awal tahap cuci, sering beberapa mesin bersamaan, dan sebagian mesin memanaskan sendiri air di drum. Mesin pencuci piring memakai air bilas yang lebih panas daripada air kamar mandi dan biasanya punya pemanas penguat sendiri. Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry menghitung kebutuhan panas mesin cuci per siklus dan pada pengisian serentak, dan Bab 10 · Dishwashing tentang instalasi dan komisioning mesin pencuci piring membahas sambungan air panas mesin pencuci piring.

Akibatnya bagi sistem gedung ada tiga. Pertama, laundry dan dapur besar sering lebih tepat dilayani pemanas terpisah yang dekat dengan pemakainya, sehingga pipa air panas pendek dan kebutuhan puncaknya tidak mengganggu kamar mandi. Kedua, bila dilayani sistem pusat, kebutuhan puncak mesin dihitung sebagai peralatan berdebit tetap, seperti di Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa. Ketiga, suhu air panas untuk mesin dapat lebih tinggi daripada suhu yang aman di titik pakai tangan, sehingga keran tangan di ruang yang sama memerlukan katup pencampur sendiri.

Memeriksa sistem air panas di lapangan

Pemeriksaan berkala yang dapat dilakukan teknisi:

1. Suhu di keluaran pemanas dan di pipa kembali. Selisihnya menunjukkan rugi panas pipa edar; selisih yang membesar dari bulan ke bulan menunjukkan isolasi rusak atau aliran sirkulasi berkurang.
2. Suhu di titik terjauh. Keran dibuka dan suhu dicatat setelah waktu alir yang ditetapkan prosedur. Waktu tunggu yang panjang menunjukkan cabang tidak teraliri.
3. Suhu bagian bawah tangki. Dibaca dari katup kuras atau sensor bawah, untuk mengetahui stratifikasi.
4. Pompa sirkulasi. Bunyi, panas motor, dan beda tekanan dicatat; pompa yang mati membuat seluruh pipa edar mendingin tanpa gejala lain.
5. Katup pencampur dan katup pengaman. Suhu campur diuji dan katup pengaman diangkat tuasnya menurut petunjuk pabrik.

Catatan suhu ini menjadi bukti pengendalian Legionella dan dasar keputusan pemeliharaan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Suhu, prosedur pembilasan dan disinfeksi, dan jadwal yang berlaku di lapangan diambil dari pedoman dan petunjuk pabrik, seperti tertulis di Batas pembahasan.

Contoh 1: bagian air panas dalam campuran. Pancuran 40 °C dari air panas 60 °C dan air dingin 28 °C: $x = (40 - 28)/(60 - 28) = 0{,}375$. Untuk 1.000 L air pancuran dibutuhkan 375 L air 60 °C. Bila suhu simpan 45 °C, $x = 12/17 = 0{,}71$, atau 706 L air 45 °C. Energi pemanasannya sama, $375 \times 32 = 706 \times 17 \approx 12.000$ L·K, karena yang dipanaskan pada akhirnya adalah 1.000 L dari 28 ke 40 °C. Dengan 1 L air sekitar 1 kg dan kalor jenis 4,19 kJ/(kg·K), angka itu setara sekitar 50.300 kJ atau 14 kWh pada kedua suhu simpan. Itulah sebabnya penurunan termostat pada kasus pembuka hampir tidak mengurangi energi pemanasan.

Contoh 2: tangki dan pemulihan. Pemanas 12 kW dengan $\Delta T = 32$ K memulihkan $12 / (4{,}19 \times 32 / 3.600) = 322$ L per jam. Pada jam puncak, kebutuhan setara 600 L air 60 °C. Kekurangan $600 - 322 = 278$ L disediakan tangki; bila hanya 75 persen isi tangki dapat diambil pada suhu berguna (dalam pekerjaan nyata angka ini diambil dari data pabrik), volume tangki $278 / 0{,}75 = 370$ L, dipilih 400 L.

Contoh 3: volume cabang mati. Cabang air panas 15 m berdiameter dalam 20 mm: $V = \pi/4 \times 0{,}02^2 \times 15 = 4{,}7$ L. Pada debit 0,1 L/s, penghuni menunggu 47 s dan membuang 4,7 L air dingin setiap kali membuka keran, dan bila kamar kosong seminggu, 4,7 L air hangat diam di pipa itu.

Contoh 4: pembilasan titik yang jarang dipakai. Bila prosedur meminta mengalirkan sekurang-kurangnya tiga kali volume pipa cabang (prosedur yang berlaku diambil dari pedoman), cabang Contoh 3 dialirkan $3 \times 4{,}7 = 14$ L, atau sekitar 2,4 menit pada 0,1 L/s, dengan percikan diminimalkan.

Contoh 5: energi pemanasan berkala. Menaikkan tangki 400 L dari 60 °C ke 70 °C: $400 \times 4{,}19 \times 10 = 16.800$ kJ atau 4,7 kWh. Dengan pemanas 12 kW dari Contoh 2, waktunya sekitar 23 menit. Selama itu, titik pakai tanpa katup pencampur mengeluarkan air yang dapat melukai, sehingga dilakukan pada jam sepi dengan pemberitahuan.

Contoh 6: stratifikasi tangki. Termostat atas membaca 60 °C, tetapi termometer di katup kuras bawah membaca 38 °C. Untuk menaikkan 100 L air terbawah ke 60 °C dibutuhkan $100 \times 4{,}19 \times 22 = 9.200$ kJ atau 2,6 kWh, kurang dari 15 menit pemanas 12 kW bila airnya diaduk. Tanpa pengadukan, lapisan bawah itu tetap hangat walaupun termostat puas.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada pengelola atau penanggung jawab peralatan, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, bila:

1. Termostat pemanas akan diturunkan di bawah suhu yang ditetapkan pedoman yang berlaku untuk penghematan.
2. Suhu di titik terjauh pipa edar atau di bagian bawah tangki ditemukan berada di rentang tumbuh bakteri, atau hasil pemeriksaan menemukan Legionella.
3. Disinfeksi termal atau kimia akan dilakukan tanpa prosedur tertulis, pemberitahuan penghuni, dan alat pelindung diri.
4. Katup pencampur termostatik akan dilepas atau dilewati, atau suhu titik pakai di kamar pasien, anak, atau lansia melampaui nilai aman.
5. Pemanas akan dibuka sebelum listrik atau bahan bakar diisolasi, air didinginkan, dan tekanan dibuang. Ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti, serta Bab 12 tentang katup dan pengendalian air.
6. Pekerjaan di tangki atau kepala pancuran yang terkontaminasi akan dilakukan tanpa pelindung pernapasan yang sesuai, karena percikan dapat terhirup.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry memberi kebutuhan panas laundry dan pedoman suhu simpan. Kalor dan perpindahan panas berasal dari Bab 10 · Fisika tentang kalor, suhu, dan perpindahan panas, Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, dan Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif, sedangkan dasar mikroba dari Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang sel, pertumbuhan mikroba, kontaminasi, dan pengendalian. Bab 12 tentang katup dan pengendalian air membahas tangki muai dan katup pengaman, Bab 11 tentang pencegahan aliran balik membahas sambungan silang pemanas tak langsung, Bab 16 · Kimia tentang kelarutan dan pengendapan membahas kerak di katup dan tangki, dan Bab 9 tentang tekanan dan pompa air gedung membahas pompa sirkulasi. Air panas mesin pencuci piring ada di Bab 10 · Dishwashing tentang instalasi dan komisioning mesin pencuci piring, peralatan berdebit tetap di Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa, siklus pompa kalor di Bab 25 · Fisika tentang siklus kompresi uap, dan rentang tumbuh Legionella yang sama untuk air menara di Bab 10 · Utilitas tentang air pendingin dan menara pendingin. Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti mendasari kondisi berhenti bab ini, dan Bab 14 tentang pengujian dan komisioning instalasi plumbing menyusul dengan pembilasan dan disinfeksi.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.