Pemanas air surya dan pompa kalor untuk air panas laundry dan hotel: kolektor, COP, tangki, neraca energi, pemilihan, dan perawatan

Sebuah hotel 120 kamar di kota pesisir dengan laundry sendiri memanaskan air dengan kolektor surya di atap dan pemanas listrik di tangki 2.000 L. Tahun lalu manajemen menambah pompa kalor udara-ke-air 40 kW dengan janji hemat listrik sekitar 70 persen. Enam bulan kemudian, listrik untuk air panas hanya turun sekitar 45 persen, tamu mengeluh air pancuran suam-suam kuku antara pukul 06.30 dan 08.00, dan laundry menunda cuci pagi.

Teknisi utilitas menemukan empat hal: unit pompa kalor dipasang di lorong servis sempit sehingga udara dingin buangannya terisap kembali; pemanas listrik cadangan dimatikan untuk berhemat lalu dinyalakan lagi oleh operator setiap pagi; kaca kolektor surya berdebu dan satu deret kolektor tidak teraliri karena udara terperangkap; dan tangki 2.000 L tidak pernah dihitung terhadap pemakaian jam puncak. Bab ini menjelaskan cara menghitung kebutuhan air panas, cara kerja kolektor dan pompa kalor, hal yang menentukan COP, tangki dan pemulihan, serta pemilihan, pemasangan, dan perawatan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pemanas air surya dan pompa kalor air panas untuk laundry, hotel, asrama, dan dapur. Jenis pemanas air, sirkulasi, pencampuran, dan pengendalian Legionella ada di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung; kebutuhan panas mesin cuci di Bab 16 · Laundry tentang panas dan utilitas laundry; hukum kedua dan COP di Bab 17 · Fisika; siklus kompresi uap di Bab 25 · Fisika; efisiensi energi dan masa balik modal di Bab 11 · Utilitas tentang efisiensi energi utilitas laundry; perpindahan panas di Bab 24 · Fisika; batas kewenangan pada sirkuit refrigeran di Bab 9 · Utilitas tentang refrigerasi komersial dan mesin es; pompa sirkulasi di Bab 12 tentang pompa dalam operasi; luka bakar air panas di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas; kerja listrik yang aman di Bab 76 · Kelistrikan & Kendali; kehilangan panas tangki di Bab 8 tentang pemanasan tangki dan pengadukan; dan udara terperangkap di jalur cairan di Bab 6.

Rating kolektor, COP unit, batas suhu keluar, tekanan tangki, dan kebijakan suhu air panas mengikuti petunjuk pabrik dan pedoman yang berlaku.

Neraca energi air panas

Semua perhitungan air panas berangkat dari satu persamaan:

dengan $Q$ kalor (kJ), $m$ massa air (kg), $c_p$ kalor jenis air (kJ/kg·K), dan $\Delta T$ kenaikan suhu (K); hasil dalam kJ dibagi 3.600 menjadi kWh. Kalor jenis air sekitar 4,186 kJ/kg·K, dan 1 L air sekitar 1 kg. Memanaskan 1.000 L dari 27 °C ke 60 °C memerlukan $1.000 \times 4{,}186 \times 33 = 138.138$ kJ, yaitu sekitar 38,4 kWh. Angka ini sama untuk pemanas apa pun; yang berbeda hanya listrik atau bahan bakar yang dibayar.

Kebutuhan harian bergantung pada jumlah tamu, kebiasaan mandi, dapur, dan program cuci laundry seperti di Bab 16 · Laundry. Karena rentangnya lebar, angka terbaik adalah hasil ukur meteran air di pipa masuk tangki selama satu atau dua minggu, dicatat per jam. Jam puncak (peak period) adalah selang waktu ketika pemakaian air panas paling besar, misalnya mandi pagi tamu yang bertumpuk dengan cuci pagi laundry. Masalah air panas jarang terjadi pada rata-rata harian; masalah terjadi pada jam puncak. Pemanas 40 kW yang bekerja 12 jam menghasilkan 480 kWh, tetapi itu tidak berarti cukup untuk 2 jam puncak.

Kolektor surya: pelat datar dan tabung vakum

Kolektor surya (solar collector) adalah alat yang menyerap radiasi matahari dan memindahkan panasnya ke air atau cairan pembawa panas. Kolektor pelat datar (flat-plate collector) terdiri dari pelat penyerap berwarna gelap dengan pipa air yang menempel, kaca penutup, rangka, dan isolasi di belakangnya. Kolektor tabung vakum (evacuated tube collector) menempatkan penyerap di dalam tabung kaca hampa udara, sehingga kehilangan panas lewat konveksi jauh lebih kecil. Tabung vakum unggul bila air harus jauh lebih panas daripada udara, tetapi rapuh dan dapat sangat panas bila air tidak dipakai.

Efisiensi kolektor turun ketika selisih suhu air dengan udara naik. Pendekatan garis lurus yang umum:

dengan $\eta_0$ efisiensi optik, $a_1$ koefisien kehilangan panas dalam W/m²·K, $T_m$ suhu rata-rata air di kolektor, $T_a$ suhu udara, dan $G$ radiasi matahari dalam W/m². Akibat praktisnya: kolektor bekerja paling baik ketika menerima air dingin.

Radiasi harian di sebagian besar wilayah Indonesia sekitar 4 sampai 5,5 kWh/m² per hari. Anjuran arah terbaik kolektor tepat ke selatan ditulis untuk belahan bumi utara pada lintang tinggi. Di dekat khatulistiwa kolektor dipasang landai dan menghadap ke khatulistiwa: ke utara di Jawa dan Bali, ke selatan di lokasi di utara khatulistiwa. Kemiringan sekitar 10 sampai 15 derajat tetap dipakai agar hujan membilas debu. Bayangan tangki air atau gedung tetangga pada jam 09.00 sampai 15.00 memotong hasil lebih besar daripada salah arah beberapa derajat.

Sistem langsung, tidak langsung, termosifon, dan sirkulasi paksa

Sistem air surya pasif mengandalkan gravitasi dan kecenderungan air untuk bersirkulasi sendiri ketika dipanaskan. Itulah termosifon (thermosiphon): tangki lebih tinggi dari kolektor, air hangat naik ke tangki dan air dingin turun ke kolektor, tanpa pompa. Untuk hotel, tangki besar di atas kolektor terlalu berat bagi atap, sehingga deretan kolektor besar memakai sirkulasi paksa (forced circulation): pompa kecil dinyalakan pengendali beda suhu ketika kolektor lebih panas beberapa kelvin daripada dasar tangki.

Sistem langsung adalah alternatif bagi sistem tidak langsung. Pada sistem langsung, air yang dipakai mengalir melalui kolektor; pada sistem tidak langsung, cairan pembawa panas beredar di kolektor dan memberikan panasnya lewat penukar panas di tangki. Di iklim yang lebih dingin sistem pemanas surya lebih rumit, terutama karena bahaya beku, yang tidak ada di Indonesia. Masalahnya adalah kerak air sadah di pipa kolektor yang panas, dan stagnasi (stagnation), yaitu keadaan ketika kolektor terus menerima panas tetapi air tidak diambil: ketika hunian rendah, air di kolektor dan tangki dapat jauh melampaui 80 °C. Katup pelepas suhu dan tekanan, katup pencampur di sisi keluar, dan pembuang udara di titik tertinggi deretan kolektor adalah bagian wajib sistem. Udara yang terperangkap membuat satu deret kolektor tidak teraliri dan sangat panas saat disentuh, seperti di kasus pembuka; cara membuangnya ada di Bab 6 tentang udara dan gas di jalur cairan.

Pompa kalor air panas: cara kerja, COP, dan hal yang menurunkannya

Cara kerja dan COP

Pompa kalor (heat pump) adalah alat yang memindahkan panas dari medium bersuhu rendah ke medium bersuhu tinggi. Pemanas air jenis ini memakai perangkat dengan sirkulasi refrigeran untuk memanaskan air. Langkah prosesnya: refrigeran di evaporator menyerap panas udara dan menguap, kompresor menaikkan tekanan dan suhunya, refrigeran mengembun di kondensor sambil memanaskan air, dan katup ekspansi menurunkan tekanannya kembali, seperti siklus kompresi uap di Bab 25 · Fisika.

Kinerja pompa kalor dinyatakan dengan koefisien kinerja (coefficient of performance, COP) pemanasan, yaitu perbandingan panas yang diberikan ke air dengan kerja listrik kompresor:

dengan $Q_\text{H}$ panas yang diberikan ke air dan $W$ kerja listrik kompresor, keduanya dalam satuan energi yang sama (kWh) atau daya yang sama (kW). COP mesin pendingin dapat lebih besar dari satu, dan COP pompa kalor diharapkan lebih besar dari satu, karena sebagian besar panas diambil dari udara, bukan dari listrik. COP atau EER dipakai sebagai ukuran kinerja unit. Pemanas listrik tahanan memiliki COP satu.

Batas teoretisnya adalah COP Carnot, yang dihitung dari suhu mutlak refrigeran di kondensor dan evaporator (Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika):

dengan $T_\text{H}$ suhu mutlak refrigeran di kondensor (K) dan $T_\text{L}$ suhu mutlak refrigeran di evaporator (K). COP teoretis berbeda dari COP nyata mesin pendingin. Unit nyata biasanya mencapai sekitar 40 sampai 60 persen dari COP Carnot yang dihitung dengan suhu refrigeran. Suhu refrigeran di kondensor beberapa kelvin di atas suhu air, dan di evaporator sekitar 10 K di bawah suhu udara, karena panas memerlukan selisih suhu untuk mengalir lewat penukar panas (Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas).

Hal yang membuat COP turun

Rumus Carnot menunjukkan bahwa COP ditentukan oleh selisih suhu antara sisi panas dan sisi dingin. Semua yang memperlebar selisih itu menurunkan COP:

1. Suhu air yang lebih tinggi. Banyak unit dengan refrigeran umum hanya efisien sampai sekitar 55 sampai 60 °C; di atasnya COP turun tajam atau pemanas cadangan mengambil alih. Batas sebenarnya ada di petunjuk pabrik.
2. Udara masuk yang lebih dingin. Udara 30 °C di Indonesia menguntungkan, tetapi unit di ruang tertutup mengisap kembali udara dingin buangannya sendiri, seperti di kasus pembuka.
3. Penukar panas kotor atau berkerak. Debu, serat laundry, atau garam pantai di sirip evaporator menurunkan aliran udara; kerak di sisi air kondensor menaikkan suhu kondensasi.
4. Aliran air yang kurang. Pompa sirkulasi lemah atau saringan tersumbat membuat air di kondensor terlalu panas, lalu pengaman tekanan tinggi menghentikan unit.

COP di lembar data diukur pada kondisi uji tertentu, sehingga dua unit hanya dapat dibandingkan pada kondisi uji yang sama. COP harian di tagihan juga memuat pompa sirkulasi, kipas, waktu siaga, dan pemanas cadangan, dan hanya dapat diketahui dari meteran kWh pompa kalor ditambah meteran air dan dua sensor suhu di sisi air.

Tangki, stratifikasi, dan laju pemulihan

Pemanas air bertangki adalah unit mandiri yang memanaskan dan menyimpan air di tangki yang sama. Bagi pompa kalor dan surya tangki lebih penting lagi, karena dayanya biasanya lebih kecil daripada pemanas listrik atau gas. Laju pemulihan (recovery rate) adalah banyaknya air yang dapat dipanaskan per jam:

dengan $\dot V$ laju pemulihan (kg/s, sama dengan L/s karena 1 L air sekitar 1 kg; dikali 3.600 menjadi L/jam), $P$ daya pemanas ke air (kW), $c_p$ kalor jenis air (kJ/kg·K), dan $\Delta T$ kenaikan suhu (K). Jam puncak terlayani bila volume tangki yang dapat dipakai ditambah pemulihan selama jam puncak paling sedikit sama dengan pemakaian jam puncak. Karena air dingin yang masuk bercampur dengan air panas, bagian yang dapat dipakai biasanya sekitar 70 sampai 80 persen.

Stratifikasi (stratification), air panas di atas dan air dingin di bawah, menguntungkan sistem ini: air dingin masuk di dasar dengan kecepatan rendah, air panas diambil dari puncak, dan kolektor serta pompa kalor mengambil air paling dingin dari bawah. Sensor di puncak dapat menunjukkan 60 °C sementara separuh bawah tangki masih suam-suam kuku, seperti dijelaskan di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung.

Kehilangan panas tangki dan pipa edar, yang kecil dalam kW tetapi berlangsung 24 jam, dihitung seperti di Bab 8.

Suhu simpan, Legionella, dan pemanas cadangan

Air panas perlu disimpan pada suhu 60 °C, dan bakteri di air panas dapat menyebabkan demam Pontiac dan infeksi saluran pernapasan. Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung menjelaskan bahwa Legionella tumbuh optimal pada sekitar 20 sampai 45 °C dan mati secara berarti di atas 60 °C. Suhu simpan dan suhu edar yang wajib mengikuti pedoman yang berlaku.

Bila pompa kalor hanya mencapai 55 °C, ada tiga jalan yang aman: pemanas cadangan menaikkan bagian atas tangki ke suhu simpan yang diwajibkan, pemanasan disinfeksi berkala menurut prosedur tertulis, atau unit yang dirancang untuk suhu keluar lebih tinggi. Mematikan pemanas cadangan tanpa pengganti memindahkan risiko ke kesehatan tamu dan pekerja, padahal Contoh 5 menunjukkan penghematannya kecil. Bahaya melepuh dari suhu simpan yang tinggi diatasi dengan katup pencampur di dekat titik pakai, seperti di Bab 13 · Bangunan & Fasilitas tentang air panas gedung dan Bab 8 · Keselamatan tentang luka bakar dan permukaan panas.

Menggabungkan sumber, memilih, dan menilai penghematan

Menggabungkan surya, pompa kalor, dan pemanas cadangan

Urutan terbaik: air dingin dipanaskan awal oleh surya, dinaikkan pompa kalor, lalu pemanas cadangan menjaga suhu simpan. Air yang sudah hangat dari surya menurunkan COP pompa kalor sedikit, tetapi panas surya tidak dibayar, sehingga listrik total tetap lebih kecil.

Pengendali menentukan siapa bekerja kapan. Tangki hotel harus panas sebelum mandi pagi, padahal matahari baru berarti setelah pukul 09.00. Pompa kalor bekerja dini hari dan setelah puncak pagi, surya mengisi tangki siang hari untuk laundry dan mandi sore, dan pemanas cadangan hanya bekerja bila bagian atas tangki di bawah batas atau pada jadwal disinfeksi. Pengendali yang menyalakan pemanas listrik setiap kali sensor sedikit dingin menghapus sebagian besar penghematan.

Memilih dan menilai penghematan

Perbandingan yang adil dihitung per kWh panas yang sampai ke air: harga listrik dibagi COP, atau harga bahan bakar dibagi energinya dan efisiensi pemanas. Investasi, umur pakai, biaya perawatan, dan masa balik modal dinilai seperti di Bab 11 · Utilitas.

Efisiensi energi sistem dan gedung secara keseluruhan harus dipertimbangkan. Sebelum membeli pemanas baru, kebutuhan dikurangi lebih dulu: kepala pancuran berdebit rendah, keran bocor, isolasi pipa edar, dan jadwal pompa edar. Pemasangan kendali dan komponen listrik juga harus dipertimbangkan, karena pompa kalor 40 kW adalah beban baru yang memerlukan kapasitas sambungan, panel, kabel, dan pengaman yang dikerjakan orang berwenang seperti di Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman listrik. Kolektor dan tangki di atap juga beban struktur yang perlu diperiksa.

Pertanyaan pemilihan yang praktis: berapa kebutuhan harian dan jam puncak hasil ukur; berapa luas atap yang tidak terbayangi; di mana unit luar mendapat udara bebas dengan bising yang dapat diterima; apakah unit mencapai suhu simpan yang diwajibkan; berapa harga per kWh panas di lokasi itu; dan siapa yang merawat sistem.

Pemasangan dan perawatan

Pemasangan pompa kalor sumber udara harus memenuhi syarat tertentu, terutama karena bising yang dihasilkannya. Unit luar ditempatkan dengan udara bebas di sisi masuk dan buang, jauh dari jendela kamar tamu. Evaporatornya menghasilkan air embun yang harus disalurkan ke pembuangan.

Orang yang bekerja pada pipa refrigerasi harus memiliki kualifikasi. Teknisi utilitas umum tidak membuka sirkuit refrigeran, sesuai Bab 9 · Utilitas tentang refrigerasi komersial dan mesin es; pekerjaannya adalah sisi air, sisi udara, kelistrikan dengan isolasi energi, pencatatan, dan pembersihan.

Daftar perawatan berkala berikut disesuaikan dengan petunjuk pabrik:

1. Pompa kalor: bersihkan sirip evaporator, periksa kipas dan saluran air embun, ukur selisih suhu air di kondensor, bersihkan saringan, dan rencanakan pembersihan kerak.
2. Kolektor surya: bersihkan kaca, periksa bayangan baru, pembuang udara, pompa sirkulasi seperti di Bab 12, sensor pengendali, dan isolasi pipa atap.
3. Tangki: uji katup pelepas suhu dan tekanan, kuras endapan, periksa anoda korban bila ada, dan periksa isolasi.
4. Catatan: baca meteran kWh, meteran air, dan suhu tangki setiap minggu, lalu hitung COP nyata dan bagian panas setiap sumber.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: daya kolektor. Satu kolektor 2 m² dengan $\eta_0 = 0{,}75$ dan $a_1 = 3{,}5$ W/m²·K, $G = 800$ W/m², dan air rata-rata 25 K di atas udara memiliki $\eta = 0{,}75 - 3{,}5 \times 25/800 = 0{,}64$. Dayanya $800 \times 2 \times 0{,}64 = 1.024$ W. Dengan aliran 0,04 kg/s, kenaikan suhu air di kolektor $1.024/(0{,}04 \times 4.186) = 6{,}1$ K.

Contoh 2: kebutuhan harian dan luas kolektor untuk fraksi surya. Hotel memakai 12.000 L air 60 °C per hari dari air 27 °C. Energinya $12.000 \times 4{,}186 \times 33 = 1.657.656$ kJ, dibagi 3.600 menjadi sekitar 460,5 kWh per hari. Hotel ingin 40 persen dari 460,5 kWh berasal dari surya, yaitu 184,2 kWh per hari. Dengan radiasi 4,5 kWh/m² per hari dan efisiensi sistem harian 0,45, satu meter persegi memberi 2,03 kWh. Luas yang diperlukan $184{,}2/2{,}03 = 91$ m², sekitar 45 kolektor 2 m². Angka ini menguji apakah atap cukup.

Contoh 3: tangki dan pemulihan pada jam puncak. Pemakaian pukul 06.00 sampai 08.00 adalah 35 persen kebutuhan harian 12.000 L pada Contoh 2, yaitu 4.200 L. Pompa kalor 40 kW dengan kenaikan suhu 33 K memulihkan $40 \times 3.600/(4{,}186 \times 33) = 1.042$ L/jam, atau 2.085 L dalam 2 jam. Tangki 2.000 L dengan bagian terpakai 0,75 memberi $1.500 + 2.085 = 3.585$ L, kurang sekitar 615 L, sehingga air suam-suam kuku menjelang pukul 08.00. Tangki yang diperlukan $(4.200 - 2.085)/0{,}75 = 2.820$ L, dibulatkan ke ukuran 3.000 L.

Contoh 4: udara yang dilalui evaporator. Pompa kalor 40 kW dengan COP 3,5 mengambil $40 - 40/3{,}5 = 28{,}6$ kW dari udara. Bila udara didinginkan 5 K, laju massa udara $28{,}6/(1{,}006 \times 5) = 5{,}7$ kg/s, atau dengan kerapatan 1,18 kg/m³ sekitar 4,8 m³/s, yaitu sekitar 17.300 m³/jam. Lorong sempit tidak dapat memasok udara sebanyak itu.

Contoh 5: energi disinfeksi termal. Menaikkan tangki 2.000 L dari 55 °C ke 70 °C sekali seminggu memerlukan $2.000 \times 4{,}186 \times 15/3.600 = 34{,}9$ kWh, atau sekitar 5 kWh per hari bila dirata-ratakan. Dibanding listrik pompa kalor 131,6 kWh per hari (Contoh 6), biayanya kecil.

Contoh 6: janji dan kenyataan. Bila pompa kalor COP 3,5 memasok seluruh 460,5 kWh dari Contoh 2, listriknya $460{,}5/3{,}5 = 131{,}6$ kWh, hemat 71 persen dibanding pemanas tahanan. Pada kasus pembuka, pompa kalor dengan COP 2,6 karena udara terisap kembali memasok 75 persen, dan pemanas listrik 25 persen: $0{,}75 \times 460{,}5/2{,}6 + 0{,}25 \times 460{,}5 = 132{,}8 + 115{,}1 = 247{,}9$ kWh, hemat hanya 46 persen. Dengan investasi Rp450 juta dan listrik Rp1.700/kWh, masa balik modalnya $450 \times 10^6/(328{,}9 \times 1.700 \times 365) = 2{,}2$ tahun bila sesuai janji, tetapi $450 \times 10^6/(212{,}6 \times 1.700 \times 365) = 3{,}4$ tahun pada kenyataan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Sirkuit refrigeran harus dibuka, diisi, atau dilas, sesuai Bab 9 · Utilitas tentang refrigerasi komersial dan mesin es.
2. Katup pelepas suhu dan tekanan tangki macet, bocor terus, atau dilepas.
3. Panel, kabel, atau pengaman pompa kalor harus diubah, atau pekerjaan listrik dilakukan tanpa isolasi, sesuai Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman listrik.
4. Pengelola meminta pemanas cadangan dimatikan tanpa pengendalian bakteri pengganti.
5. Kerja di atap tanpa perlindungan jatuh, atau pipa kolektor yang stagnasi terlalu panas untuk disentuh.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 13 · Bangunan & Fasilitas membahas air panas gedung dan Legionella, Bab 16 · Laundry kebutuhan panas laundry, Bab 17 · Fisika COP dan hukum kedua termodinamika, Bab 25 · Fisika siklus kompresi uap, Bab 11 · Utilitas efisiensi energi dan masa balik modal, Bab 24 · Fisika perpindahan panas, Bab 9 · Utilitas batas kewenangan refrigeran, Bab 12 pompa sirkulasi, Bab 8 · Keselamatan luka bakar, Bab 76 · Kelistrikan & Kendali kerja listrik yang aman, Bab 8 kehilangan panas tangki, dan Bab 6 udara terperangkap. Bab 14 membahas AC ruang, yang memakai siklus yang sama ke arah sebaliknya.

Pompa kalor untuk memanaskan air kolam renang dibahas di Bab 31 · Air & Pengolahan Air: kapasitas dan COP yang naik bersama suhu udara, debit air dan sakelar aliran, ruang bebas agar udara dingin buangan tidak terisap kembali seperti pada kasus pembuka bab ini, batas kimia air untuk penukar titanium, dan pencairan bunga es. Pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) atap mengubah cahaya menjadi listrik, berbeda dari kolektor yang memanaskan air; keselamatan sisi DC dibahas di Bab 90 · Kelistrikan & Kendali, string dan batas masukan inverter di Bab 91 · Kelistrikan & Kendali, inverter on-grid di Bab 92 · Kelistrikan & Kendali, serta pemasangan dan perawatan larik modul di atap di Bab 93 · Kelistrikan & Kendali. Bila kolektor dan modul surya berbagi atap, teknisi yang merawat kolektor mengingat bahwa larik modul tetap bertegangan selama ada cahaya walaupun pemutusnya di panel sudah dibuka, dan pekerjaan pada larik itu diserahkan ke teknisi PV berkompeten menurut Bab 90 · Kelistrikan & Kendali.

Latihan dan pembahasan