Panas bumi untuk mendinginkan udara

Pengondisi Udara atau Air Conditioner (AC) merupakan perangkat penting terutama bagi hunian dan perkantoran di daerah tropis yang panas. Penggunaan AC mampu memberikan kenyamanan dalam beraktivitas di dalam ruangan. Konsumsi energi listrik AC mencapai 48% dari total biaya listrik dalam rumah atau perkantoran [1]. Dengan  tarif dasar listrik yang terus merangkak naik, penggunaan AC harus dipertimbangkan dengan cermat. Berbagai upaya telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja AC. Artikel ini difokuskan pada penggunaan energi panas bumi yang digunakan sebagai cara peningkatan kinerja AC. 

Kebanyakan AC yang dipasang pada perumahan dan perkantoran menggunakan udara sekitar di luar ruangan sebagai buangan panas. AC jenis ini disebut sebagai pompa panas sumber udara  atau Air-Source Heat Pump (ASHP). Fluktuasi temperatur udara sekitar memengaruhi kinerja ASHP. Jika temperatur udara sekitar meningkat pada siang hari, ASHP akan bekerja lebih berat untuk mendinginkan ruangan dibandingkan malam hari. Contoh fluktuasi temperatur tiap jam di Jakarta dapat dilihat di Gambar 1.

Gambar 1.Temperatur udara tiap jam di Jakarta [2]

Selain ASHP, terdapat AC yang memanfaatkan temperatur tanah yang lebih stabil untuk membuang panas. Tanah memiliki temperatur yang lebih rendah dari pada udara sekitarnya dan lebih stabil pada kedalaman 10 meter dari permukaan tanah (Gambar 2). AC jenis ini disebut sebagai pompa panas bumi atau ground-source heat pump (GSHP). Sistem GSHP tersusun atas  unit penukar panas tanah (ground heat exchanger), unit pompa panas (heat pump) dan unit sistem distribusi panas (heat distribution system). Pompa panas bumi ini dapat digunakan untuk memanaskan dan mendinginkan ruangan terutama untuk daerah 4 musim. 

Gambar 2. Fluktuasi dan Distribusi temperatur dalam tanah di Kota Saga Jepang [3].

Dalam sistem GSHP, panas dibuang ke tanah melalui rangkaian tertutup ground heat exchanger (GHE), tempat air bersirkulasi. Gambar 3 menunjukkan pertukaran panas antara air dan tanah yang terjadi di GHE. Heat pump menyerap panas dari ruangan melalui heat distribution system (sistem distribusi panas). Agar bekerja optimal, sistem GSHP memerlukan pemilihan dan desain komponen yang tepat.

Pada mode pendinginan ruangan, air dipompa melalui ground heat exchanger untuk membuang panas ke tanah yang memiliki temperatur lebih rendah. Air dingin ini kemudian  memasuki pompa panas . Di sini terjadi pertukaran panas antara air dan refrigeran, yang kemudian menyerap energi di dalam ruangan untuk mendinginkan bangunan. Air yang dipanaskan pada kondisi ini dialirkan kembali ke tanah untuk sekali lagi membuang panas ke tanah, dan siklus terus berulang.

Gambar 3 GSHP untuk pendinginan ruangan.

Berdasarkan American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), energi panas dibagi menjadi beberapa kelompok, yaitu temperatur tinggi (> 150 ^{\circ}C) yang biasanya digunakan untuk pembangkit listrik, temperatur medium dan rendah (antara 32 ^{\circ}C sampai 150 ^{\circ}C) biasanya digunakan untuk penggunaan langsung dan penggunaan GSHP (<32 ^{\circ}C)[4]. 

Di Indonesia, penggunaan panas bumi hanya berfokus pada pembangkit listrik saja dengan lokasi pembangkit yang hanya ada di daerah tertentu seperti Sarulla di Sumatra Utara [5]. Potensi penggunaan energi panas bumi untuk GSHP (< 32 ^{\circ}C), yang tersedia hampir merata di seluruh wilayah indonesia, belum dimanfaatkan sama sekali. Hal ini sangat disayangkan, mengingat GSHP merupakan sistem yang menggunakan energi terbarukan panas bumi sehingga mengurangi emisi NO_x, CO_2 dan SO_x

Dilansir dari laman GeoDrilling International, delegasi dari Indonesia tertarik untuk menerapkan GSHP di Indonesia saat melakukan kunjungan pengembangan GSHP di Inggris pada tahun 2018. "Kesempatan untuk menunjukkan proyek ini kepada Pemerintah Inggris dan Indonesia sangat menggembirakan dan menunjukkan tingkat ketertarikan yang meningkat pada sistem GSHP" kata Stuart Gadsden, manajer penjualan teknis di Kensa Contracting. "Dengan bekerja bersama, kita dapat membuat dampak positif pada kehidupan masyarakat sambil berkontribusi pada target pengurangan karbon” [6].

Menurut penelitian Saner [7] penerapan praktis dari proses pompa panas sudah dilakukan pada abad ke-19. Klaim pertama ekstraksi panas bumi untuk pompa panas telah dipatenkan H. Zoelly di Swiss pada tahun 1912. Namun, penerapan GSHP pertama kali terdokumentasikan sejak tahun 1945, di Indianapolis, Amerika Serikat. Di Eropa, laporan pertama tentang GSHP berasal dari 1960-an. Hingga kini penggunaan GSHP meningkat dengan cepat. Sebagai contoh pada tahun 2012 penggunaan GSHP di fasilitas umum terdistribusi di hampir seluruh perfektur di Jepang. Penggunaan GSHP paling banyak terdapat di prefektur Hokkaido dengan 322 fasilitas [8]. Contoh pemanfaatan GSHP dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4 (a) Komponen GSHP utama dari sistem GSHP (GSHP); dan (b) tiga sumur pemantauan dalam loop ekspansi langsung [9].

Keunggulan GSHP dibanding ASHP dapat dilihat dari koefisien performanya (coefficient of performance /COP). COP adalah perbandingan antara beban pendinginan ruangan terhadap kerja kompresor. GSHP memiliki rentang COP antara 2.5 sampai dengan 3.4 sedangkan ASHP memiliki rentang COP antara 2 sampai dengan 3.3 selama 1 tahun operasi. Adapun rata rata COP untuk GSHP adalah 2.9 sedangkan ASHP adalah 2.5 [10]. Berdasarkan temuan ini GSHP menjadi opsi yang menjanjikan dalam penghematan energi listrik dalam pendinginan ruangan.

Namun demikian, penggunaan GSHP terkendala pada biaya instalasi yang mahal. Sebagian besar biaya instalasi GSHP ada pada pemasangan GHE terutama yang bertipe vertikal. GHE tipe vertikal dipasang di kedalaman 20-100 m dari permukaan tanah. Di Amerika Serikat, biaya pengeboran lubang vertikal sangat bervariasi ($ 5.0− $ 15.5 / ft) atau ($ 16.4 − $ 50.8 / m) [11]. Perlu dilakukan perhitungan biaya instalasi GSHP dan penghematan energi akibat penggunaan GSHP. Sebagai referensi, biaya konstruksi sistem GSHP di Qatar adalah $ 15,8 per meter persegi luas bangunan atau $ 62,7 per MWh (Mega Watt hour) dari beban pendinginan [10]. 

Mengingat potensi dan keuntungan GSHP sangat besar, beberapa negara di eropa sudah memberikan dukungan penggunaan teknologi GSHP yang masif. Dukungan tersebut dapat berupa insentif baik dalam bentuk insentif langsung maupun pemotongan pajak dan regulasi yang memadai untuk keberlangsungan persebaran penggunaan teknologi GSHP [12]. Sejauh ini, belum banyak ditemukan penggunaan GSHP di ASEAN, terutama di Indonesia. Perlu dilakukan penelitian penggunaan GSHP yang masif di Indonesia sehingga diperoleh data yang mampu mendorong pemerintah untuk membuat regulasi yang mempermudah penggunaan teknologi GSHP.

Referensi

  1. Samuel de Alencar Bezerra, Francisco Jackson dos Santos, Plácido Rogerio Pinheiro, and Fábio Rocha Barbosa. Dynamic Evaluation of the Energy Efficiency of Environments in Brazilian University Classrooms Using DEA. Sustainable. 2017. 9(2373). 1-14. DOI: 10.3390/su9122373
  2. Prakiraan Cuaca di Jakarta [https://www.accuweather.com]
  3. Md. Hasan Ali, Keishi Kariya and Akio Miyara. Performance Analysis of Slinky Horizontal Ground Heat Exchangers for a Ground Source Heat Pump System. Resources. 2017. 6 (56) 1-18. DOI: 10.3390/resources6040056
  4. ASHRAE, 2011, ASHRAE Handbook: HVAC Applications, SI Edition, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1791 Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA 30329
  5. Unlocking Indonesia's Geothermal Potential [http://ebtke.esdm.go.id/post/2020/03/27/2519/unlocking.indonesias.geothermal.potential.?lang=en]
  6. Indonesian delegation visits UK ground-source development [https://www.geodrillinginternational.com/geothermal-ground-source/news/1347264/indonesian-delegation-visits-uk-ground-source-development]
  7. Sanner, B. Ground Source Heat Pumps – history, development, current status, and future prospects. 12th IEA Heat Pump Conference 2017. 2017. Rotterdam
  8. Current Trend in Ground Source Heat Pumps in Japan [https://www.aist.go.jp/Portals/0/fukushima/images_en/publication/01_Sasada%20IEA141019.pdf]
  9. Yuanshen Lu, Kamel Hooman, Aleks D. Atrens and Hugh Russell. An Experimental Facility to Validate Ground Source Heat Pump Optimisation Models for the Australian Climate. Energies. 2017.10 (138).1-15. DOI: 10.3390/en10010138
  10. Kharseh, M., Al-Khawaja, M. , Suleiman, M. T. Potential of ground source heat pump systems in cooling-dominated environments: Residential buildings. Geothermics. 2015 57, 104-110. DOI: 10.1016/j.geothermics.2015.06.009
  11. Xiaobing Liu, Yarom Polsky, Defeng Qian, Joshua Mcdonald. An Analysis on Cost Reduction Potential of Vertical Bore Ground Heat Exchangers Used for Ground Source Heat Pump Systems. PROCEEDINGS, 44th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford University, Stanford, California, February 11-13, 2019.
  12. Increasing deployment of GSHP in Europe - market, incentives, regulations - and savings [https://www.gshp.org.uk/GroundSourceLive2011/PhillipDumasGSHP_Europe_gsl.pdf]
Teguh Hady Ariwibowo

Teguh Hady Ariwibowo

menyelesaikan sarjana Teknik Fisika (2010), magister bidang Rekayasa Konversi Energi Teknik Mesin (2012) di ITS, dan doktor bidang Rekayasa Termal Teknik Mesin di Saga University Jepang (2020). Saat ini menjadi Dosen di Sistem Pembangkit Energi di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS) sejak 2011.

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

CAPTCHA Image

*