## Kaji eksperimental direct-expansion solar-assisted heat pump water heater kapasitas 60 liter dengan menggunakan refrigeran R134a
Rahman Asfaranda 1 , Rahmat Iman Mainil 1 , Azridjal Aziz 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau
Kampus Bina Widya KM 12,5 Simpang Baru, Pekanbaru 28293
Email korespondensi: azridjal.aziz@lecturer.unri.ac.id

## Abstrak
Pengujian dilakukan untuk mengetahui performa dari direct expansion solar assisted heat pump water heater yang terutama terdiri dari panel evaporator dengan luas permukaan 0,23 m 2 , kompresor rotari dengan daya input 122,5 W, tangki air berisolator yang telah dililitkan kondensor berdiameter 0,024 m sepanjang 15 m serta pipa kapiler berdiameter 0,001 m sepanjang 1,61 m. Pengujian dilakukan pada luar ruangan yang tepapar langsung sinar  matahari.  Hasil  dari  pengujian  ini  adalah  COP  tertinggi  pada  sistem  DX-SAHPWH  yang  didapatkan sebesar 2,193 dan COP terkecil didapatkan sebesar 1,548 Intensitas radiasi matahari yang lebih tinggi memiliki efek positif terhadap kinerja dari sistem DX-SAHPWH, yaitu berakibat pada laju perpindahan panas pada air ( 𝑄̇ wm )  meningkat,  waktu  yang  dibutuhkan  untuk  pemanasan  lebih  cepat,  serta  kinerja  ataupun  coeficient  of performance (COP) dari sistem DX-SAHPWH meningkat.
Kata kunci: heat pump water heater, koefisien unjuk kerja, eksperimen.

## Abstract
The test was conducted to determine the performance of a direct expansion solar-assisted heat pump water heater which mainly consists of an evaporator panel with a surface area of 0.23 m 2 , a rotary compressor with an input  power  of  122,5  W,  an  insulated  water  tank  wrapped  around  a  15  m  diameter  0.0254  condenser  and  a capillary pipe 0.001 diameter pipe and 1.61 m long. The test was carried out outdoors exposed to direct sunlight. The result of this test is that the highest COP on the DX-SAHPWH system is 2.193 and the smallest COP is 1.548. Higher solar radiation intensity has a positive effect on the performance of the DX-SAHPWH system, which results in the rate of heat transfer in the air ( 𝑄̇ wm ) increases, the time required for heating is faster, and the performance or coefficient of performance (COP) of the DX-SAHPWH system increases.
Keywords: heat pump water heater, coefficient of performance, experiment.

## 1. Pendahuluan
Hampir 90% kebutuhan energi Indonesia dipasok oleh energi  berbasis  dari  bahan  bakar  fosil,  seperti batubara,  minyak  dan  gas.  Namun  dengan  adanya kekhawatiran  mengenai  dampak  perubahan  iklim, sekarang  sudah  ada  pergeseran  pandangan  bahwa energi  fosil  sudah  tidak  lagi  murah  [1].  Indonesia merupakan  salah  satu  negara  yang  terletak  di khatulistiwa  serta  negara  beriklim  tropis,  sehingga matahari bersinar sepanjang tahun. Kondisi ini dapat menjadikan matahari menjadi alternatif sumber energi masa  depan.  Pemanfaatan  energi  matahari  sangat banyak salah satunya yaitu sistem pemanas air [2].
Dalam  kehidupan  sehari-hari,  manusia  sangat bergantung  pada  air  panas,  mulai  dari  keperluan rumah  tangga  seperti  mencuci  piring,  mencuci pakaian sampai dengan mandi. Belakangan ini, mandi air  hangat  telah  menjadi  gaya  hidup  masyarakat Indonesia  dikarenakan  banyaknya  manfaat  yang  di
dapat  dengan  mandi  air  hangat.  Pada  umumnya,  air dipanaskan  dengan  menggunakan  bahan  bakar  fosil atau gas tetapi sumber daya alam tersebut tidak dapat diperbaharui  sehingga  semakin  hari  persediaannya semakin sedikit [3].
Pada 2011 di China, dilakukan analisis kinerja termal dari direct-expansion solar assisted heat pump water heater (DX-SAHPWH).  Sistem  DX-SAHPWH  ini juga  terdiri  dari  4,20  m 2 kolektor  pelat datar/evaporator  tipe  ekspansi  langsung,  kompresor tipe rotary dengan  daya  input  terukur  0,75  kW  dan katup  ekspansi  termostatik  yang  menggunakan refrigeran R-22. Berdasarkan simulasi, kinerja termal sistem DX-SAHPWH yang tinggi dapat dicapai, yang dipengaruhi  secara  signifikan  oleh  variasi  radiasi matahari, suhu lingkungan dan kecepatan kompresor. Dibandingkan  dengan  hal  tersebut,  kecepatan  angin tidak berpengaruh besar pada kinerja sistem [4].
Gambar 1. Skematik diagram perangkat pengujian sistem DX-SAHPWH.
Pada 2013, kajian tentang sistem solar assisted heat pump di Singapura. Evaporator-kolektor tanpa glasir memungkinkan untuk menyerap energi matahari dan energi  sekitar  karena  suhu  pengoperasian  rendah. Tidak  seperti  kolektor  konvensional,  kolektor evaporator ditemukan memiliki efesiensi tinggi, 80% sampai  90%,  dan  koefisen  kinerja  mencapai  nilai setinggi  8,0.  Sistem  terintegrasi  mengarah  pada pengurangan pemanasan global, karena menggunakan energi surya, energi ambien dan panas limbah AC [5]. Pada  2018,  dilakukan  analisis  kinerja  eksperimental direct  expansion  solar  assisted  heat  pump  water heater dengan  R134a  di  musim  panas.  Sistem  DX- SAHPWH ini terdiri dari kolektor pelat datar/evaporator dengan luas permukaan 2,1 m 2 , jenis kompresor  tipe  rotari  dengan  putaran  frekuensi- variabel,  tangki  air  panas  dengan  volume  0,2  m 3 dikelilingi  oleh  kondensor  saluran  mikro  dan  katup ekspansi  elektronik.  Hasil  eksperimen  menunjukkan bahwa  koefisien  kinerja  sistem  (COP)  dapat ditingkatkan  dengan  peningkatan  intensitas  radiasi matahari  atau  suhu  sekitar  dan  dengan  penurunan kecepatan kompresor atau suhu air akhir [6].
Berdasarkan  kajian  tahun  2016  yang  meneliti pengoperasian  sistem  DX-SAHPWH  menggunakan tiga refrigeran yang berbeda mendapatkan refrigeran yang paling efesien dalam pengoperasian sistem DX- SAHPWH  adalah  refrigeran  R134a  [7].  Untuk memastikan  kinerja  termal  jangka  panjang  terhadap sistem  DX-SAHPWH,  ukuran  komponen  dan konfigurasi  komponen  DX-SAHPWH  harus  sesuai dengan kebutuhan beban dan radiasi harian di lokasi tertentu.  Sistem  DX-SAHPWH  yang  dikenal  secara umum  terdiri  dari  empat  komponen  utama  dan dikonfigurasi  berdasarkan  desain  arsitektural  dari fasilitas aplikasi atau struktur. Komponen-komponen
ini  adalah  kolektor,  evaporator,  kompresor,  katup ekspansi termal dan tangki penyimpanan air panas [8].
Berdasarkan  tinjauan  terhadap  kajian,  konfigurasi sistem  DX-SAHPWH  dibagi  menjadi  dua  kategori utama yaitu basic models dan advance models . Basic models ditandai dengan biaya rendah dan pengaturan yang sederhana karena lebih sedikit jumlah komponen yang  diperlukan  untuk  pemasangan.  Kajian  milik Anderson pada tahun 2007 [9] dan Kong tahun 2011 [4]  merupakan  salah  satu  contoh  penggunaan basic models. Sedangkan advance  models merupakan model lanjutan dari basic models yang mengikuti pola operasi  yang  sama  dengan basic  models tetapi melibatkan komponen tambahan atau menggabungkan  sistem  secara  keseluruhan  dengan sistem lain. Kajian milik Chyng tahun 2003 [10] dan Chaturvedi  tahun  2009  [11]  merupakan  salah  satu contoh penggunaan advance models.
Berdasarkan  permasalahan  tersebut  muncul  sebuah ide  untuk  membuat  sebuah direct-expansion  solar assisted heat pump water heater kapasitas tangki air panas 60 liter air di Indonesia yang merupakan negara beriklim tropis menggunakan pemodelan sistem yang lebih sederhana. Untuk mengetahui dan membandingkan  peforma  dari  alat  yang  telah dirancang  ini  dibutuhkan  suatu  pengujian,  salah satunya adalah dengan melakukan kaji eksperimental direct-expansion  solar  assisted  heat  pump  water heater (DX-SAHPWH) kapasitas tangki air panas 60 liter  di  Indonesia  yang  merupakan  negara  beriklim tropis  menggunakan  pemodelan  sistem  yang  lebih sederhana,  terutama  efek  dari  berbagai  parameter terhadap kinerja sistem.

## 2. Metode
Pada kajian ini metode yang digunakan adalah metode kajian  eksperimental.  Kajian ini  dilakukan  untuk mengetahui coefficient  of  performance (COP)  dan pengaruh intensitas radiasi matahari variasi suhu akhir air  terhadap coefficient  of  performance (COP)  dari sistem DX-SAHPWH yang dirancang.
Sistem  DX-SAPHWH  tersebut  terdiri  dari  panel evaporator  kulkas  satu  pintu  jenis  plat  dengan  luas permukaan 0,23 m 2 yang telah dicat hitam doff 884, kompresor  rotari  Samsung  SD143H - L1U2  SM1 dengan daya input 122,5 watt, tangki air volume 0,06 m 3 dengan  diameter  0,38  m  dan  tinggi  0,54  m berisolator polyurethane  foam yang  telah  dililitkan pipa tembaga (sebagai kondensor) berdiameter 0,024 m  sepanjang  15  m  serta  pipa  kapiler  berdiameter 0,001 m sepanjang 1,61 m.
Alat  ukur  yang  digunakan  pada  kajian  ini  adalah termometer digital Lutron dengan termokopel tipe K untuk membaca temperatur dalam Celsius pada setiap termokopel  yang  terpasang  pada  sistem,  5  buah termokopel  yang  berfungsi  untuk  merespon temperatur setiap titik (dapat dilihat pada Gambar 1) pada saat pengujian yang kemudian disalurkan pada termokopel  digital  untuk  pembacaan. Solar  power meter tipe  Tenmars  TM-206  untuk  mengukur  besar intensitas  radiasi  matahari  dalam  satuan  W/m 2 pada saat  pengujian,  termo-anemometer  tipe  Extech 451104  untuk  mengukur  temperatur  lingkungan selama  pengujian  dan  multimeter  tipe  KWE-PM01- EU  untuk  mengukur  besarnya  daya  yang  digunaan selama pengujian. Skematik peralatan dan pengujian sistem  DX-SAHPWH  pada  kajian  ini  dapat  dilihat pada Gambar 1.
Prosedur  pengujian  pada  kajian  ini  adalah  sebagai berikut:  sistem  DX-SAHPWH  diletakkan  pada  luar ruang,  sehingga  terpapar  matahari  langsung.  Tangki air  diisi  dengan  air  sebanyak  60  liter,  kemudian temperatur air yang terbaca pada thermometer digital yang  ada  pada  tangki  air  dicatat.  Kompresor dihidupkan  dengan  menyambungkan  ke  arus  listrik AC,  disaat  yang  bersamaan stopwatch dihidupkan untuk  menghitung  berapa  lama  waktu  yang dibutuhkan  dalam  pengujian.  Selama  proses
pemanasan  air,  daya  kompresor,  temperatur lingkungan  dan  intensitas  radiasi  matahari  diukur dengan menggunakan alat ukur yang telah disiapkan dan  dicatat.  Pengukuran  dilakukan  dalam  selang waktu  ±  20  menit  selama  pengujian  dan  kemudian dicatat.  Lakukan  pencatatan  waktu  pemanasan  air dengan  temperatur  akhir  air  yang  terbaca  pada thermometer  digital mencapai  rata-rata  46 o C-47 o C. Kompresor  dimatikan  ketika  suhu  air  yang  terbaca pada thermometer digital mencapai 48 o C. Pengujian dilakukan sebanyak 5 kali dalam 5 hari berbeda.
Keuntungan  panas  termal  rata-rata  pada  kondensor saluran  mikro  ( 𝑄̇ , ),  yang  juga  merupakan  laju perpindahan panas yang diberikan ke air panas dalam tangki oleh kondensor, dihitung dengan Persamaan 1 berikut [6].
𝑄̇ , =   𝑀 𝐶 , ( , , ) (1) di mana:
M w : Massa total air dalam tanki air panas (kg) C p,w : Kalor jenis air dalam tanki air panas (J/kg o C) t w,f : Temperatur akhir air ( o C) t w,i : Temperatur awal air ( o C) τ : Waktu pemanasan (detik)
Koefisien rata-rata kinerja ( COP m ) dari sistem dapat dihitung dengan Persamaan 2 berikut [6].
𝐶𝑂𝑃 = , ( , , ) ∑ , (2)
di mana:
W com,j : Daya kompresor dari langkah waktu ke- j (Watt)
τ j : Waktu pengujian (detik) K
:  Jumlah  total  langkah  waktu  selama seluruh proses pemanasan

## 3. Hasil dan Pembahasan
Data  hasil  pengujian  dapat  dilihat  pada  Tabel  1,  di mana Ta merupakan  temperatur  lingkungan  dalam satuan  Celsius  dan I m merupakan  intensitas  radiasi matahari dalam satuan W/m 2 .
Tabel 1. Data hasil pengujian selama 5 hari di luar ruangan.
Pengujian Ta ( o C) I m (W/m 2 ) Twi ( o C) Twf ( o C) 𝝉 (menit) Wcom (Watt) 1 35,04 930,18 28 46,64 206 190,34 2 34,84 826,09 28 46,86 216 189,27 3 34,97 917,91 28 46,84 209 189,97 4 34,83 842,18 28 46,82 211 189,32 5 35,09 952,3 28 46,94 186 193,35
Pada Tabel 1, data hasil pengujian nilai-nilai Ta , Im , Twi , Twf dan Wcom merupakan  nilai  rata-rata  dari data  yang  diperoleh  selama  pengujian.  Massa  air  di dalam  tangki  selama  pengujian  diisi  dengan  jumlah yang  sama  di  setiap  pengujian,  di  mana  massa  air tersebut setelah ditimbang diketahui sebesar 59,76 kg.
Berdasarkan  hasil  pengujian  yang  telah  didapatkan dapat  dilihat  pada  Tabel  1,  kemudian  dilakukan perhitungan  dengan  menggunakan  persamaan  untuk menghitung  parameter-parameter  mengenai  sistem DX-SAHPWH,  adapun  data  hasil  perhitungan menggunakan  Persamaan  (1)  dan  (2)  dapat  dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Data hasil perhitungan.
Pengujian Mw (kg) Cpw (J/kg o C) Twi ( o C) Twf ( o C) 𝝉 (menit) Wcom rata- rata (Watt) 𝑸̇ 𝒘,𝒎 (Watt) COP 1 59,76 4178,800 28 46,64 206 190,34 361,12 1,979 2 59,76 4178,800 28 46,86 216 189,27 363,56 1,921 3 59,76 4178,800 28 46,84 209 189,97 375,34 1,976 4 59,76 4178,800 28 46,82 211 189,32 371,38 1,962 5 59,76 4178,800 28 46,94 186 193,35 423,99 2,193
Nilai Coefficient of Performance (COP) Nilai coefficient  of  performance (COP)  merupakan rasio  pemanasan  yang  disediakan  untuk  kebutuhan kerja,  apabila  COP  lebih  tinggi  maka  biaya operasional yang dikeluarkan akan menjadi semakin rendah.  Dapat  dilihat  pada  Gambar  2  merupakan gambar  grafik  nilai  COP  dan  nilai  laju  perpindahan panas pada setiap pengujian.
Gambar 2. Grafik nilai COP dan 𝑄̇ wm pada setiap pengujian.
Berdasarkan Gambar 2  dapat dilihat nilai-nilai COP dari sistem DX-SAHPWH dan laju perpindahan panas pada air ( 𝑄̇ wm ) pada pengujian yang telah dilakukan. COP  tertinggi  didapat  pada  pengujian  ke-5  dengan nilai COP yang didapat sebesar 2,193, sedangkan nilai COP  terkecil  didapat  pada  pengujian  ke-2  dengan nilai  COP  yang  didapat  sebesar  1,921.  Nilai  laju perpindahan panas pada air ( 𝑄̇ wm ) terbesar didapatkan pada  pengujian  luar  ruangan  ke-5  dengan  nilai  laju perpindahan  panas  pada  air  ( 𝑄̇ wm )  yang  didapat sebesar  423,99  Watt,  sedangkan  nilai  laju
perpindahan panas pada air ( 𝑄̇ wm ) terkecil didapatkan pada  pengujian  ke-2  dengan  nilai  laju  perpindahan panas  pada  air  ( 𝑄̇ wm )  yang  didapat  sebesar  363,56 Watt. Nilai COP yang didapat sebanding dengan nilai 𝑄̇ wm , yang berarti bahwa nilai COP yang didapat akan semakin  besar  apabila  nilai  laju  perpindahan  panas pada air ( 𝑄̇ wm ) semakin besar.

## Pengaruh Intensitas Radiasi Matahari
Pada  pengujian  diluar  ruangan  dilakukan  pengujian sebanyak  5  kali  pada  hari  yang  berbeda,  sehingga intensitas  radiasi  matahari  rata-rata  pada  setiap pengujian  berbeda.  Intensitas  radiasi  matahari  ini bervariasi  pada  pengujian  1  sebesar  930,18  W/m 2 , pada  pengujian  2  sebesar  826,09  W/m 2 ,  pada pengujian 3 sebesar 917,91 W/m 2 , pada pengujian 4 sebesar  842,18  W/m 2 dan  pada  pengujian  5  sebesar 952,30 W/m 2 , dengan suhu lingkungan rata-rata pada setiap pengujian  ± 35 o C . Intensitas radiasi matahari memiliki  pengaruh  penting  pada  kinerja  sitem  DX- SAHPW, hal ini dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar  3  merupakan  grafik  pengaruh  intensitas radiasi matahari terhadap lama waktu pengujian ( 𝜏), laju perpindahan panas ( 𝑄̇ wm ), serta COP dari sistem DX-SAHPWH  ini.  Dari  Gambar  3  dapat  dilihat bahwa  peningkatan  intensitas  radiasi  matahari mengakibatkan  kinerja  ataupun coeficient  of performance (COP)  dari  sistem  DX-SAHPWH  ini meningkat  sebesar  14,15%,  sementara  waktu  yang dibutuhkan  selama  pemanasan  berkurang  sebesar 13,88%,  selain  itu  laju  perpindahan  panas  pada  air ( 𝑄̇ wm ) juga mengalami peningkatan sebesar 16,62%. Hal  ini  terjadi  karena  intensitas  radiasi  matahari mempengaruhi  proses  kondensasi  pada  evaporator, sehingga peningkatan intensitas radiasi matahari akan mempercepat  proses  kondensasi  pada  evaporator
1.98 1.92 1.98 1.96 2.19 376.76 363.56 375.34 371.38 423.99 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 150 200 250 300 350 400 450 C O P Q w m ( W at t) COP Qwm (Watt)
yang berakibat laju perpindahan panas pada air ( 𝑄̇ wm ) meningkat, waktu yang dibutuhkan untuk pemanasan lebih  cepat,  serta  kinerja  ataupun coeficient  of performance (COP)  dari  sistem  DX-SAHPWH meningkat. Hal serupa terjadi pada kajian Kong pada tahun  2018  [6],  di  mana  intensitas  radiasi  matahari
menyebabkan coeficient  of  performance (COP)  dari sistem  DX-SAHPWH  meningkat  sebesar  28,3%, sementara waktu yang dibutuhkan selama pemanasan berkurang sebesar 18,2%, dan laju perpindahan panas pada air ( 𝑄̇ wm ) juga mengalami peningkatan sebesar 25%.
Gambar 3. Grafik Pengaruh Intensitas Radiasi Matahari terhadap COP, Q̇ wm dan waktu pengujian ( 𝜏)

## 4. Kesimpulan
Simpulan yang didapatkan setelah melakukan kajian yaitu  nilai coefficient  of  performance (COP)  dari sistem DX-SAHPWH tertinggi yang diperoleh yaitu sebesar 2,19 yang merupakan hasil dari pengujian di luar  ruangan  5  dan  nilai  terkecil  yang  diperoleh sebesar 1,92 yang merupakan hasil dari pengujian di luar ruangan 2. Intensitas radiasi matahari yang lebih tinggi  memiliki  efek  positif  terhadap  kinerja  dari sistem  DX-SAHPWH,  intensitas  radiasi  matahari yang  lebih  tinggi  mempercepat  proses  kondensasi pada  evaporator  yang  berakibat  laju  perpindahan panas  pada  air  ( 𝑄̇ wm )  meningkat,  waktu  yang dibutuhkan untuk pemanasan lebih cepat, serta kinerja ataupun coeficient of performance (COP) dari sistem DX-SAHPWH meningkat.

## Daftar Pustaka
[1]  Iesr.  (2017).  Indonesia  Adalah  Negara  Yang Paling  Kaya  Dengan  Sumber  Daya  Energi Terbarukan.  http://iesr.or.id/indonesia-adalah- negara-yang-paling-kaya-dengan-sumber-daya- energi-terbarukan-2, diakses 16 Agustus 2020.
[2]  Sidopekso, S. (2011). Studi Pemanfaatan Energi Matahari Sebagai Pemanas Air. Berkala Fisika, 1410-9662.
[3]  Kementrian  ESDM.  2019.  Energi  Indonesia- Energi Terbarukan Untuk
Indonesia. https://www.youtube.com/watch?=zL- H5FnZ9OU, diakses 16 Agustus 2020.
[4]  Kong, X. Q., Zhang, D., Li, Y., & Yang, Q. M. (2011).  Thermal  performance  analysis  of  a direct-expansion solar-assisted heat pump water heater. Energy, 36(12), 6830-6838.
[5]   Amin, Z. M., & Hawlader, M. N. A. (2013). A review  on  solar  assisted  heat  pump  systems  in Singapore.  Renewable  and  Sustainable  Energy Reviews, 26, 286-293.
[6]   Kong, X., Sun, P., Dong, S., Jiang, K., & Li, Y. (2018). Experimental performance analysis of a direct-expansion solar-assisted heat pump water heater  with  R134a  in  summer.  International Journal of Refrigeration, 91, 12-19.
[7]   Wang, Z., Wang, F., Ma, Z., & Song, M. (2016). Numerical study on the operating performances of  a  novel  frost-free  air-source  heat  pump  unit using three different types of refrigerant. Applied thermal engineering, 112, 248-258.
[8]  Omojaro,  P.,  &  Breitkopf,  C.  (2013).  Direct expansion solar assisted heat pumps: A review of applications and recent research. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 33-45.
[9]  Anderson, T. N., & Morrison, G. L. 2007. Effect of load pattern on solar-boosted heat pump water heater performance. Solar Energy, 81(11), 1386- 1395.
[10] Chyng,  J.  P.,  Lee, C. P., & Huang, B. J. 2003. Performance  analysis  of  a  solar-assisted  heat pump water heater. Solar Energy, 74(1), 33-44.
[11]  Chaturvedi,  S.  K.,  Abdel-Salam,  T.  M., Sreedharan,  S.  S.,  &  Gorozabel,  F.  B.  2009. Two-stage  direct  expansion  solar-assisted  heat pump for high temperature applications. Applied thermal engineering, 29(10), 2093-2099.