Efisiensi energi utilitas laundry: pemulihan panas air buang, kondensat, gas buang, pengering, isolasi, dan memilih proyek dengan masa balik modal

Manajer laundry sebuah rumah sakit diminta memangkas biaya bahan bakar boiler. Seorang pemasok datang dengan penawaran boiler baru berefisiensi tinggi yang harganya setara beberapa tahun anggaran perawatan. Sebelum penawaran itu dibahas, teknisi laundry berjalan menyusuri jalur uap dan air dan mencatat apa yang ia lihat: kondensat dari semua mesin dibuang ke saluran lantai, tiga perangkap uap menyemburkan uap hidup, delapan katup dan flens di jalur uap tidak berisolasi, air buang cuci utama keluar pada sekitar 60 °C ke saluran, dan pengering diatur dengan waktu tetap yang membuat linen kering sepuluh menit sebelum siklus berakhir.

Daftar itu berisi penghematan yang lebih murah, lebih cepat, dan lebih pasti daripada boiler baru. Boiler baru yang efisien tetap akan membuang panasnya melalui perangkap yang bocor dan kondensat yang dibuang. Bab ini menjelaskan cara menemukan ke mana energi laundry pergi, cara menilai setiap peluang penghematan dengan angka, dan cara membuktikan bahwa penghematan benar-benar terjadi.

Batas pembahasan

Bab ini membahas efisiensi energi utilitas laundry, terutama uap, air panas, udara tekan, dan pengeringan, dari sisi teknisi dan penyelia yang menyusun usulan perbaikan. Kebutuhan panas per siklus cuci dan panas yang dibuang bersama air buang dihitung di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry, dan efisiensi, kehilangan, serta keandalan utilitas secara umum di Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas. Sifat uap, boiler, distribusi uap, air boiler, udara tekan, dan kebocoran udara tekan dibahas di bab-bab sebelumnya rak ini: Bab 3 tentang sifat uap dan tabel uap, Bab 4 tentang boiler, Bab 5 tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat, Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown, Bab 7 tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai, dan Bab 8 tentang kebocoran dan energi udara tekan. Pompa kalor ada di Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika. Suhu dan program cuci ditentukan oleh kebutuhan higiene dan kimia di rak Laundry; bab ini tidak mengusulkan menurunkan suhu desinfeksi demi energi.

Ke mana energi laundry pergi

Energi bahan bakar boiler laundry berpisah menjadi beberapa aliran:

1. Kehilangan di boiler: gas buang yang masih panas, udara lebih, blowdown, dan panas dari dinding boiler, seperti di Bab 4 tentang boiler dan Bab 6 tentang pengolahan air boiler.
2. Kehilangan distribusi: pipa dan katup yang tidak berisolasi, kebocoran uap, perangkap yang bocor, dan kondensat yang dibuang, seperti di Bab 5 tentang distribusi uap.
3. Pemanasan air cuci: energi terbesar di washer, sebagian besar keluar lagi sebagai air buang yang masih hangat, seperti dihitung di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry.
4. Pengeringan: menguapkan air dari linen dan memanaskan udara yang kemudian dibuang lewat saluran pengering.
5. Penyetrikaan: menguapkan sisa air dari linen datar, dengan uap dan udara panas yang dibuang.

Pemulihan panas (heat recovery) adalah penangkapan dan pemakaian kembali energi yang biasanya hilang dari fasilitas. Konservasi sumber daya sama pentingnya dengan konservasi energi. Di laundry, air dan bahan kimia yang dihemat sering bernilai sebesar energi yang dihemat.

Mengukur sebelum menghemat

Penghematan yang tidak diukur tidak dapat dibuktikan. Pengukuran yang paling berguna:

1. Bahan bakar boiler per hari dari meter gas atau penimbangan elpiji.
2. Air masuk total dan, bila ada, air umpan boiler dan air pengganti.
3. Listrik per mesin besar atau per kelompok: kompresor, pengering, setrika, dan pompa.
4. Linen yang diproses per hari dalam kilogram kering.

Intensitas (intensity) adalah pemakaian bahan bakar, air, atau listrik dibagi jumlah linen yang diproses; dari keempat pengukuran itu dihitung bahan bakar, air, dan listrik per kilogram linen. Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas memakai ukuran seperti ini untuk membandingkan kinerja dari waktu ke waktu. Intensitas yang naik pada jenis linen dan program yang sama menunjukkan kehilangan baru, misalnya perangkap yang mulai bocor. Efisiensi energi sistem dan gedung secara keseluruhan harus dipertimbangkan, bukan hanya satu mesin. Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas menyusun neraca utilitas dari batas sistem yang jelas, sehingga aliran bahan bakar, uap, air, dan kondensat dapat dicocokkan satu sama lain; neraca seperti itu menjadi peta tempat peluang penghematan dicari, dan selisih yang tidak dapat dijelaskan di neraca sering menunjukkan kebocoran yang belum ditemukan.

Mengurangi kebutuhan lebih dulu

Langkah termurah adalah tidak memakai energi yang tidak perlu:

1. Muatan penuh: washer yang diisi 80 persen kapasitas memakai air dan panas hampir sama dengan muatan penuh, sehingga energi per kilogram naik sekitar 25 persen. Pada washer berkapasitas 100 kg yang diisi 80 kg dengan air dan panas yang hampir sama, misalnya, energi per kilogram linen naik sekitar $100/80 - 1 = 0{,}25$, yaitu 25 persen. Sortir dan jadwal yang baik membuat muatan penuh.
2. Program yang benar untuk jenis linen dan tingkat kotoran, menurut rak Laundry; program berat untuk linen ringan memboroskan air dan panas.
3. Pengering dengan sensor kelembapan atau penghenti otomatis, bukan waktu tetap. Linen yang kering sepuluh menit sebelum siklus 40 menit berakhir membuang sekitar seperempat energi pengering pada siklus itu, dan juga merusak serat. Bila pemakaian panas hampir tetap sepanjang siklus dan linen sudah kering pada menit ke-30, sekitar $10/40 = 25$ persen energi siklus itu terbuang.
4. Pemerasan yang baik di washer-extractor. Air yang tersisa di linen harus diuapkan di pengering atau setrika dengan energi jauh lebih besar daripada energi untuk memerasnya.
5. Mematikan peralatan yang tidak bekerja: setrika yang dibiarkan panas tanpa linen, kompresor dan boiler yang dibiarkan menyala di luar jam kerja.
6. Jadwal produksi yang mengelompokkan pekerjaan, sehingga setrika dan pengering bekerja dalam satu rentang panjang, bukan dipanaskan berulang untuk beberapa muatan kecil yang tersebar sepanjang hari.

Kehilangan di boiler: gas buang dan air umpan

Gas buang yang keluar dari cerobong membawa panas. Semakin tinggi suhunya dan semakin banyak udara lebihnya, semakin besar kehilangannya. Dua perbaikan yang lazim:

1. Menyetel pembakaran dengan analisis gas buang agar udara lebih cukup tetapi tidak berlebihan, seperti di Bab 4 tentang boiler.
2. Ekonomiser (economizer) adalah penukar panas di saluran gas buang yang memanaskan air umpan. Gas buang dapat dipakai di ekonomiser, dan gas buang panas dapat didinginkan lalu energinya dipulihkan untuk membuat uap. Gas buang tidak boleh didinginkan sampai uap airnya mengembun di bahan yang tidak tahan korosi, kecuali peralatannya dirancang untuk itu.

Boiler kondensasi (condensing boiler) adalah boiler yang dirancang untuk mengembunkan uap air di gas buang dan memulihkan kalor lateninya. Boiler ini kadang disebut boiler berefisiensi tinggi karena mengambil panas tambahan itu. Jenis ini lazim untuk air panas bersuhu rendah, bukan untuk uap laundry bertekanan, karena air balik harus cukup dingin agar gas buang dapat mengembun.

Kondensat, uap kilat, dan blowdown

Bab 5 tentang distribusi uap menghitung bahwa kondensat 300 kg/jam yang dibuang pada 90 °C membuang sekitar 21,6 kW panas dan sekitar 1.200 m³ air lunak setahun (Contoh 4). Mengembalikan kondensat ke tangki air umpan juga menurunkan TDS air umpan dan blowdown, seperti di Bab 6 tentang pengolahan air boiler. Uap kilat dari kondensat bertekanan tinggi dan dari blowdown dapat dipisahkan dan dipakai untuk memanaskan air umpan atau air proses, dan air blowdown dapat memanaskan air pengganti melalui penukar panas sebelum dibuang.

Proyek pengembalian kondensat memerlukan pipa kembali, kadang pompa kondensat, dan pemantauan pencemaran. Biayanya lebih besar daripada memperbaiki perangkap, tetapi penghematannya terus-menerus dan mencakup air, bahan kimia, dan bahan bakar sekaligus.

Isolasi dan kebocoran uap

Pipa uap, katup, flens, dan saringan yang tidak berisolasi kehilangan panas sepanjang waktu, termasuk ketika mesin berhenti. Sebagai angka kasar yang lazim dipakai, satu katup telanjang berukuran sedang kehilangan panas kira-kira seperti satu meter pipa telanjang yang ukurannya sama. Selubung isolasi yang dapat dilepas membuat katup tetap dapat dirawat. Perangkap yang bocor dan kebocoran uap di sambungan dihitung dan diperbaiki seperti di Bab 5 tentang distribusi uap. Perbaikan ini biasanya berbiaya kecil dengan masa balik modal kurang dari satu tahun (Contoh 5 dan 6).

Pemulihan panas air buang

Air buang washer membawa sebagian besar panas yang dipakai untuk memanaskan air cuci, seperti dihitung di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry. Penukar panas air buang memakai air buang hangat untuk memanaskan awal air bersih yang masuk ke washer atau tangki air panas (Contoh 1).

Pada proses bertahap, panas dapat dipulihkan secara tidak langsung melalui sistem utilitas atau dengan sistem penyimpanan panas. Washer melepaskan air buang secara berselang, sedangkan air bersih dipakai pada waktu yang berbeda, sehingga sistem pemulihan panas laundry sering memakai tangki penampung air buang dan tangki air pemanasan awal agar keduanya tidak harus terjadi bersamaan.

Air buang laundry membawa serat, pasir, dan sisa kimia, sehingga penukar panasnya memerlukan saringan serat, permukaan yang mudah dibersihkan, dan jadwal pembersihan. Menaikkan beda suhu terkecil di penukar panas menurunkan biaya modal tetapi mengurangi energi yang dipulihkan; perancang memilih titik tengah antara ukuran penukar panas dan penghematannya. Air bersih yang dipanaskan tidak boleh tercemar air buang; penukar panasnya dirancang dengan dinding pemisah yang aman dan diperiksa kebocorannya, sejalan dengan prinsip pencegahan aliran balik di Bab 11 · Bangunan & Fasilitas tentang pencegahan aliran balik.

Pemulihan panas pengering dan setrika

Udara buang pengering dan setrika panas dan lembap. Penukar panas udara ke udara dapat memanaskan awal udara masuk pengering, dan sebagian sistem memakai udara buang yang disaring untuk sirkulasi ulang sebagian. Tantangannya adalah serat: serat menyumbat penukar panas, menurunkan kinerjanya, dan menjadi bahan bakar kebakaran di saluran, seperti di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran dan bahaya laundry. Penyaring serat yang dibersihkan teratur adalah syarat sebelum pemulihan panas dipertimbangkan. Saluran pengering juga harus tetap memenuhi ketentuan ventilasi dan tekanan balik di Bab 16 · Bangunan & Fasilitas tentang ventilasi ruang laundry dan saluran pengering.

Panas kompresor dan pompa kalor

Hampir seluruh energi listrik kompresor udara menjadi panas, seperti di Bab 7 tentang udara tekan. Pada kompresor berpendingin minyak, sebagian besar panas itu dapat dipulihkan untuk memanaskan air, sering sekitar 70 persen atau lebih menurut data pabrik, sebagai angka kasar yang lazim dipakai. Kompresor 10 kW di Bab 7 yang bekerja penuh, misalnya, dapat menyediakan sekitar $0{,}7 \times 10 = 7$ kW panas untuk memanaskan air.

Pompa kalor (heat pump) adalah alat yang menaikkan panas bersuhu rendah ke suhu yang dapat dipakai. Pompa kalor dapat mengambil panas dari air buang hangat atau udara buang dan memanaskan air cuci, dengan COP yang menurun ketika beda suhunya melebar, seperti di Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika. Pilihan ini dinilai dengan harga listrik dibanding harga bahan bakar boiler, bukan hanya dengan COP-nya.

Menilai proyek: penghematan, biaya, dan masa balik modal

Setiap peluang dinilai dengan tiga angka: penghematan per tahun, biaya proyek, dan masa balik modal sederhana. Masa balik modal sederhana (simple payback period) adalah biaya proyek dibagi penghematan per tahun, yaitu lama waktu sampai penghematan menutup biaya proyek:

$\text{masa balik modal} = \frac{\text{biaya proyek}}{\text{penghematan per tahun}}$

dengan biaya proyek dalam rupiah, penghematan per tahun dalam rupiah per tahun, dan masa balik modal dalam tahun.

Penghematan dihitung dari energi yang dihemat dibagi efisiensi peralatan yang menyediakannya. Panas yang dihemat dari uap adalah panas yang tidak perlu dibuat boiler, sehingga dibagi efisiensi boiler untuk mendapatkan bahan bakar yang dihemat (Contoh 1). Air, bahan kimia, dan perawatan yang dihemat ditambahkan.

Proyek disusun dari masa balik modal terpendek (Contoh 5), dengan tiga catatan. Pertama, proyek saling memengaruhi: setelah kondensat dikembalikan, penghematan ekonomiser berubah karena suhu air umpan naik. Kedua, proyek dengan masa balik modal panjang tetapi umur pakai panjang dapat tetap layak; untuk itu dipakai nilai sekarang bersih yang memperhitungkan umur dan bunga. Ketiga, keselamatan dan higiene tidak dikorbankan: proyek yang menurunkan suhu desinfeksi atau melewati perlengkapan pengaman tidak dinilai sebagai penghematan.

Angka penghematan juga mengandung ketidakpastian: harga bahan bakar berubah, produksi naik turun, dan kinerja penukar panas menurun bila tidak dibersihkan. Cara sederhana menghadapinya adalah menghitung ulang masa balik modal dengan, misalnya, penghematan 20 persen lebih kecil dan biaya 20 persen lebih besar. Proyek yang tetap menarik dalam keadaan itu lebih aman diusulkan daripada proyek yang hanya menarik pada perkiraan terbaik.

Membuktikan penghematan

Setelah proyek selesai, intensitas energi diukur lagi dan dibandingkan dengan angka dasar pada jenis linen dan jumlah produksi yang sebanding. Perubahan produksi, campuran linen, cuaca, dan harga dicatat agar penghematan tidak tercampur dengan perubahan lain. Penghematan yang berasal dari perawatan, seperti perangkap dan kebocoran, hilang lagi bila perawatannya berhenti, sehingga hasilnya dipantau terus, bukan sekali.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Udara pembakaran sekitar 15,6 kg per kg elpiji dengan udara lebih 20 persen, kalor jenis gas buang sekitar 1,1 kJ/(kg·K), dan nilai kalor elpiji 46 MJ/kg adalah angka kasar yang lazim dipakai.

Contoh 1: pemulihan panas air buang. Laundry memakai 20 m³ air per hari. Air buang rata-rata 45 °C dan air bersih masuk 28 °C. Penukar panas memulihkan 60 persen beda suhu, yaitu memanaskan awal air bersih sekitar $0{,}6 \times 17 = 10{,}2$ °C. Panas yang dipulihkan $20.000 \times 4{,}19 \times 10{,}2 = 854.800$ kJ per hari, sekitar 237 kWh. Dengan efisiensi boiler 85 persen, bahan bakar yang dihemat setara sekitar 279 kWh, yaitu sekitar 21,9 kg elpiji per hari pada nilai kalor 46 MJ/kg.

Contoh 2: nilai uang dan masa balik modal. Pada harga elpiji Rp15.000/kg dan 300 hari kerja, penghematan Contoh 1 sekitar $21{,}9 \times 15.000 \times 300 = 98.500.000$ rupiah per tahun. Bila biaya proyek Rp250.000.000, masa balik modalnya sekitar $250/98{,}5 = 2{,}5$ tahun, sebelum biaya pembersihan penukar panas.

Contoh 3: ekonomiser. Boiler 677 kW di Bab 4 tentang boiler memakai sekitar 62 kg/jam elpiji dengan udara sekitar 15,6 kg per kg bahan bakar dan udara lebih 20 persen, sehingga gas buangnya sekitar $62 \times (1 + 15{,}6 \times 1{,}2) = 1.220$ kg/jam. Menurunkan suhu gas buang 100 °C dengan kalor jenis sekitar 1,1 kJ/(kg·K) memulihkan sekitar $1.220/3.600 \times 1{,}1 \times 100 = 37$ kW, sekitar 4,7 persen panas bahan bakar.

Contoh 4: kondensat. Kondensat 300 kg/jam yang dikembalikan menghemat sekitar 21,6 kW panas, seperti dihitung di Bab 5 tentang distribusi uap. Selama 4.000 jam dengan efisiensi boiler 85 persen, bahan bakar yang dihemat setara sekitar $21{,}6 \times 4.000/0{,}85 = 101.600$ kWh, ditambah sekitar 1.200 m³ air lunak dan bahan kimianya.

Contoh 5: menyusun urutan proyek. Lima usulan dengan biaya dan penghematan per tahun: isolasi katup Rp8 juta dan Rp12 juta; perbaikan perangkap Rp15 juta dan Rp40 juta; pengembalian kondensat Rp120 juta dan Rp60 juta; pemulihan panas air buang Rp250 juta dan Rp98 juta; ekonomiser Rp180 juta dan Rp45 juta. Masa balik modalnya 0,7; 0,4; 2,0; 2,6; dan 4,0 tahun. Urutan pengerjaannya: perangkap, isolasi, kondensat, air buang, lalu ekonomiser dinilai ulang setelah kondensat kembali.

Contoh 6: isolasi katup. Delapan katup telanjang, masing-masing kira-kira setara 1 m pipa telanjang yang kehilangan 0,4 kW/m, angka yang sama dengan pipa telanjang di Bab 5 tentang distribusi uap, kehilangan sekitar 3,2 kW. Dengan selubung isolasi yang memotong kehilangan sekitar 85 persen, penghematannya sekitar 2,7 kW, atau sekitar 10.900 kWh panas dalam 4.000 jam.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan atau usulan, laporkan, dan serahkan keputusan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan bila:

1. Penghematan memerlukan menurunkan suhu atau waktu desinfeksi linen di bawah ketentuan rak Laundry dan pedoman yang berlaku.
2. Perubahan menyentuh perlengkapan pengaman boiler, katup pengaman, atau pengendali pembakaran; serahkan kepada pihak berwenang, seperti di Bab 4 tentang boiler.
3. Penukar panas air buang dapat mencemari air bersih karena tidak ada dinding pemisah yang aman atau tidak ada pemeriksaan kebocoran.
4. Pemulihan panas pengering akan dipasang tanpa penyaring serat yang memadai, sehingga risiko kebakaran saluran naik.
5. Isolasi atau perbaikan pipa akan dikerjakan pada pipa bertekanan atau panas tanpa isolasi energi, seperti di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.
6. Klaim penghematan tidak dapat diukur atau dibandingkan dengan angka dasar.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry menghitung kebutuhan panas laundry dan panas yang dibawa air buang, Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas membahas efisiensi dan kehilangan utilitas, dan Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas menyusun neraca tempat peluang dicari. Sumber kehilangan di sisi uap dibahas di Bab 3 tentang sifat uap, Bab 4 tentang boiler, Bab 5 tentang distribusi uap dan kondensat, dan Bab 6 tentang pengolahan air boiler dan blowdown. Sisi udara tekan ada di Bab 7 tentang udara tekan dan Bab 8 tentang kebocoran udara tekan, dan pompa kalor di Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika. Saluran pengering bersambung ke Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran dan Bab 16 · Bangunan & Fasilitas tentang ventilasi ruang laundry dan dapur, penukar panas air buang ke Bab 11 · Bangunan & Fasilitas tentang pencegahan aliran balik, dan pekerjaan pada pipa bertekanan atau panas ke Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.

Latihan dan pembahasan

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