## PENGARUH LAJU ALIRAN UDARA TERHADAP KINERJA SISTEM REFRIGERASI PADA TATA UDARA SENTRAL

## M. Nuriyadi
Staf Pengajar Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara Politeknik Negeri Bandung, Jl.Trs. Gegerkalong Hilir, Ciwaruga-Bandung
Email : Nuriyadi@gmail.com

## ABSTRACT
The work of refrigeration system incentral air conditioning should be set to the cooling load to obtain the peak  performance  of  the  system  with  efficient  energy  consumption.  One  factor  that  affect  to  the  the cooling  load  is  the  conditioned  air  flow  rate  suppliedin  the  system.The  experiment  is  conducted  by varying air flow rate (with 4 variations which is 1,152; 1,184; 1,216 and 1,280 m 3 /s respectively), to aim the  optimum  performance  of  the  refrigeration  system  in  the  air  conditioning  system  (central  AHU)  to consumption efficient levelof power.
The results is that the refrigeration system performance is not much influenced by variations  ofair flow rate,where the highest coefficient of performance (COP) of the refrigeration system (5.69) was obtained by air flow rate (debit) of 1,184 m 3 /s, about 4% of the COP on the largest debit. The highest compression ratio  (3.5)  was  obtained  at  lowest  air    flow  rate  (1.152  m 3 /s),  and  the  lowest  average  of  power consumption  is  obtained  at  the  lowest  air  flow  rate  1.152  m 3 /s,  9%  lower  than  power  consumption  at thegreatest air flow.While the performance of the HVAC system is affected by variations in air flow rate, where  is  the  greatest  cooling  capacity  (62.364  kW)  and  the  highest  EER  (3.99)  was  obtained  at  the highest flow rate of 1.280 m 3 /s.
Keywords: air flow rate, performance, central air conditioning.

## PENDAHULUAN
Sistem tata udara sentral atau biasa disebut Air Handling  Unit  (AHU) adalah  peralatan  pengolah  udara yang  di  dalamnya  terdapat  kipas  dan  peralatan  untuk sirkulasi, penyaringan, pendinginan, pemanasan, dehumidifikasi,  humidifikasi,  dan  pencampuran  udara. Peralatan  ini  merupakan  salah satu yang  paling  banyak mengkonsumsi energi (listrik) yaitu sekitar 50% [1].
Sistem AHU ada  yang  menggunakan  koil  air dingin  sebagai  pendingin,  namun  banyak  juga  yang menggunakan  evaporator  sistem  refrigerasi  jenis ekspansi langsung.
Sistem  ekspansi  langsung  merupakan  salah  satu sistem  pengkondisi  yang  banyak  digunakan  terutama dalam bentuk unitary seperti window unit, split unit dan mobil.  Disamping  itu  sistem  ini  juga  digunakan  pada sistem  tata  udara  sentral.  Komponen  utama  sistem  ini terdiri dari evaporator, kompresor, kondensor dan katup ekspansi.
Penelitian  yang  dilakukan  Senoadi  (2015) menyimpulkan  semakin  besar  laju  aliran  aliran  air fan coil unit (FCU) pada sistem water chiller maka semakin besar  kemampuan  koil  menyerap  panas[2].  Penelitian tersebut  belum  mengkaji  kapasitas  pendinginan  koil dari  sisi  udara  yang  melaluinya.  Hal  yang  sama  juga dilakukan  Rasta  (2007)  yang  menyimpulkan  jika  laju aliran  volume  air  pendingin  semakin  besar  maka  nilai NTU  ( Number  of  Transfer  Unit )  juga  mengalami peningkatan[3].Pada penelitian ini akan dikaji mengenai
penyerapan panas pada sistem refrigerasi danpelepasan kalor dari sisi udara.
Koil  pendingin  yang  terpasang  pada  unit pengolah udara merupakan penukar kalor yang akan digunakan  untuk  mendinginkan  udara  yang  akan  di suplaikan  ke  ruangan.  Pada  koil  pendingin  terjadi pertukaran  kalor  antara  udara  dan  refrigeran.  Kalor yang  dilepaskan  akan  diserap  oleh  refrigeran sehingga  udara  yang  melewati  koil  pendingin  akan turun  temperaturnya.  Menurut  Pita  (2002)  By  pass factor  dan  Prestasi  koil  pendingin  tergantung  pada: (1)  Jumlah  kalor  sensibel  dan  kolor  laten  ruangan,
(2)  Kondisi  udara  masuk  dan  keluar  koil,  (3) Konstruksi  koil,  (4)  Kecepatan fluida  koil (refrigeran atau air) dan (5) Debit udara[4].
Daur kompresi uap dapat dilihat pada gambar 1:
• 1 – 2 merupakan proses kompresi, dari uap jenuh menuju ke tekanan kondensasi
•  2  –  3  merupakan  proses  pelepasan  kalor  pada tekanan  konstan,  menyebabkan  penurunan  panas lanjut (desuperheating) dan pengembunan refrigeran
• 3  –  4  merupakan  proses  ekspansi unreversibel pada  entalpi  konstan,  dari  fase  cair  jenuh  menuju tekanan evaporasi.
• 4  –  1  merupakan  proses  penyerapan  kalor  pada tekanan  konstan  yang  menyebabkan  terjadinya penguapan menuju uap jenuh.

## Gambar1.Siklus sistem refrigerasi
Dari diagram tersebut dapat dicari kinerja mesin refrigerasi,  yang  meliputi  efek  refrigerasi,  kerja kompresor spesifik, dan koefisien kinerja (coefficient of performance,  COP) [5].  Efek  refrigerasi,  atau  efek pendinginan  didefinisikan  sebagai  selisih  entalpi refrigeran keluaran dan masukan evaporator:
4 1 h h q e   (1)
Kerja  kompresor  spesifik, w k ,  didefinisikan  sebagai selisih  entalpi  refrigeran  keluaran  dan  masukan kompresor:
1 2 h h w k   (2)
Sementara  itu,  pembuangan  panas  oleh  kondenser, dapat dihitung dengan
2 3 h h q c   (3)
Dari  besaran  pertama  dan  kedua  dapat  dihitung koefisien  kinerja (coefficient  of  performance,  COP) sistem refrigerasi, yang merupakan perbandingan antara efek refrigerasi dengan kerja kompresor
1 2 4 1 h h h h COP    (4)
Kapasitas  pendinginan  evaporator  dapat  dicari  dari hasilkali  antara  selisih  entalpi  keluaran  dan  masukan evaporator dengan laju aliran massa refrigeran, atau
) ( 4 1 h h m Q e    (5)
dimana m  adalah laju aliran massa refrigeran. Dengan cara  yang  sama,  kapasitas  kompresor  dapat  dihitung dari  hasilkali  selisih  entalpi  keluaran  dan  masukan kompresor dengan laju aliran massa refrigeran, atau
) ( 1 2 h h m W k    (6)
Kemampuan  koil  pendingin  untuk  menyerap  panas yang  terdapat  pada  udara    dapat  diketahui  dengan hubungan berikut  2,6  : 𝑄 𝑐𝑜𝑖𝑙 =   𝑚̇𝑥 (ℎ 𝐸𝐴 − ℎ 𝐿𝐴 ) (7)
Dimana 𝑚̇ = laju aliran massa udara, kg/s ℎ 𝐸𝐴 = rasio kelembaban udara masuk koil, kJ/kg ℎ 𝐿𝐴 = rasio kelembaban udara keluar koil, kJ/kg

## Gambar 2. Proses pendinginan udara pada diagram psikrometrik
Udara  yang  melewati  koil  pendingin  akan mengalami  proses  pendinginan  dan  pengembunan. Laju  pengembunan  yang  terjadi  dapat  dicari menggunakan persamaan berikut  1  : 𝑤̇ =   𝑚̇𝑥 (𝜔 𝐸𝐴 − 𝜔 𝐿𝐴 ) (8) 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑚̇ = laju aliran massa udara, kg/s 𝜔 𝐸𝐴 = rasio kelembaban udara masuk koil, g/kg 𝜔 𝐿𝐴 = rasio kelembaban udara keluar koil g/kg Proporsi  udara  yang  tidak  melewati  koil pendingin dapat diperoleh dengan  6  : 𝐵𝐹 = (𝑡 𝐿𝐴 −𝑡 𝐴𝐷𝑃 ) (𝑡 𝐸𝐴 −𝑡 𝐴𝐷𝑃 ) (9)
Dimana 𝑡 𝐸𝐴 = temperatur udara masuk koil, °C 𝑡 𝐿𝐴 = temperatur udara keluar koil, °C 𝑡 𝐴𝐷𝑃 = temperatur  koil, °C
Tujuan  Penulisan  ini  adalah  untuk  mendapatkan prestasi  optimal  Air  System  refrigusi  central  AHU untuk efisiensi daya konsumsi

## METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian  ini adalah metode eksperimental. Tahap yang dilakukan dalam penelitian ini adalah:
1. Penelitian  dilakukan  pada  sistem  refrigerasi  tata udara  sentral  jenis  ekspansi  langsung  (DX Sistem)
2. Parameter  yang  divariasikan  adalah  laju  aliran udara  dengan  mengatur  bukaan  saluran  udara (damper) .
3. Pengambilan  data  dilakukan  dengan  mengukur tekanan  isap  dan  buang  kompresor,  temperatur isap  dan  buang  kompresor,  temperatur  sisi  cair refrigeran dan temperatur keluaran koil evaporator,  serta  dengan  mengukur  arus  dan tegangan yang mensupali daya motor kompresor.
4. Selanjutnya  dilkaukan  evaluasi  dan  analisis kinerja dari sistem refrigerasi dan tata udara pada AC sentral
Pengambilan data dilakukan selama kurang lebih 90 menit,  dari  sejak  sistem  belum  dijalankan  sampai dengan  pengambilan  data  terakhir.  Pada  saat  awal pengoperasian sistem refrigerasi, maka variasi debit yang digunakan adalah debit maksimal (1,280 m 3 /s). Hal  ini  dimaksudkan  agar  kapasitas  pendinginan
yang  digunakan  optimal.  Selanjutnya  debit  udara  yang didinginkan secara bertahap dikurangi dengan mengatur bukaan  damper  saluran  udara.  Variasi  debit  udara selanjutnya  adalah  1,216  m 3 /s,  1,184  m 3 /s,  dan  1,152 m 3 /s.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis sistem refrigerasi
Profil  tekanan  isap  dan  buang  kompresor  pada  sistem refrigerasi  yang  digunakan  oleh  sistem  tata  udara  AC sentral  ditampilkan  pada  gambar  3.  Gambar  tersebut menunjukkan  tekanan  kerja  dari  sebelum  dioperasikan sampai  akhir  pengambilan  data.  Tekanan  isap  rata-rata pada  variasi  bukaan  saluran  udara  dengan  debit  1,280 m 3 /s  sebesar  5,2  bar,  debit  1,216  m 3 /s  sebesar  5,2  bar, debit  1,184  m 3 /s  sebesar  5,0  bar,  dan  debit  1,152  m 3 /s sebesar 4,8 bar.
Sedangkan  rata-rata  tekanan  buang  dari  kompresor pada  variasi  bukaan  saluran  udara  dengan  debit  1,280 m 3 /s sebesar 17,7 bar, debit 1,216 m 3 /s sebesar 17,5 bar, debit 1,184 m 3 /s sebesar 16,8 bar, dan debit 1,152 m 3 /s sebesar 16,8 bar.

## Gambar 3. Tekanan kerja sistem refrigerasi
Profil  temperatur  isap  dan  buang  kompresor  pada sistem  refrigerasi  ditampilkan  pada  gambar  4. Temperatur  isap  rata-rata  pada  variasi  bukaan  saluran udara  dengan  debit  1,280  m 3 /s  sebesar  3,2 o C,  debit 1,216  m 3 /s  sebesar  3,2 o C,  debit  1,184  m 3 /s  sebesar 1,7 o C, dan debit 1,152 m 3 /s sebesar 2,1 o C.
Sedangkan  rata-rata  temperatur  keluar  dari  kompresor pada  variasi  bukaan  saluran  udara  dengan  debit  1,280 m 3 /s  sebesar  83,8 o C,  debit  1,216  m 3 /s  sebesar  87,7 o C, debit  1,184  m 3 /s  sebesar  84,7 o C,  dan  debit  1,152  m 3 /s sebesar 84,9 o C.
Gambar 4. Temperatur kerja sistem refrigerasi
Parameter  tekanan  dan  temperatur  kerja  dari  sistem refrigerasi  digunakan  untuk  menentukan  kinerja  dari sistem  refrigerasi  pada  tata  udara  sentral.  Parameter
tersebut diplot ke dalam diagram tekanan-entalpi (P- h  diagram).  Gambar  5  menampilkan  hasil  plot parameter  tekanan  dan  temperatur  kerja  dari  sistem refrigerasi  tata  udara  sentral  dengan  menggunakan refrigeran R-22.
Gambar 5. Plot parameter pada diagram tekanan-entalpi
Keterangan:
: Siklus refrigerasi dengan debit udara 1,152 m 3 /s
: Siklus refrigerasi dengan debit udara 1,184 m 3 /s
: Siklus refrigerasi dengan debit udara 1,216 m 3 /s : Siklus refrigerasi dengan debit udara 1,280 m 3 /s
Perbandingan  tekanan  dari  sistem  refrigerasi  sistem tata udara sentral ditampilkan pada gambar 6. Rasio tekanan (kompresi) tertinggi diperoleh pada  bukaan debit  udara  1,152  m 3 /s  yaitu  sebesar  3,50  dan terendah (3,36) pada debit udara 1,184 m 3 /s.

## Gambar 6. Rasio tekanan (kompresi) untuk tiap debit udara
Sedangkan  perbandingan  koefisien  kinerja  dari sistem  refrigerasi (COP) pada  tiap  bukaan  debit udara  ditampilkan  pada  gambar  7. COP tertinggi dari  sistem  refrigerasi  diperoleh  pada  bukaan  debit udara  1,184  m 3 /s  yaitu  sebesar  5,69  dan  terendah (3,48) pada debit udara 1,280 m 3 /s. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Tekanan Isap Tekanan Buang Te ka n an (b ar ) 3,50 3,36 3,37 3,40 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 1,152 1,184 1,216 1,280 R as io T e ka n an (P R ) Debit Udara (m 3 /s) 5,54 5,69 5,55 5,48 5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 1,152 1,184 1,216 1,280 Co ef ici en t o f P er fo rma nc e (CO P)
Debit Udara (m 3 /s)

## Gambar 7. Perbandingan koefisien kinerja (COP) sistem refrigerasi tiap debit aliran udara
Profil  konsumsi  daya  listrik  oleh  kompresor  selama pengambilan data ditampilkan pada gambar 8.

## Gambar 8. Profil konsumsi daya kompresor
Sedangkan  perbandingan  konsumsi  daya  kompresor untuk  tiap  debit  laju  aliran  udara  ditampilkan  pada gambar  grafik  9.  Konsumsi  daya  terendah  diperoleh pada debit aliran udara 1,152  m 3 /s  yaitu  sebesar 14231 Watt,  sedangkan  konsumsi  daya  tertinggi  pada  bukaan debit aliran udara 1,280 m 3 /s yaitu sebesar 15622 Watt. Ini berarti beban pendinginan udara juga mempengaruhi konsumsi daya kompresor sistem refrigerasi.

## Gambar 9. Perbandingan konsumsi daya kompresor tiap debit laju aliran udara

## Analisis sistem tata udara
Analisis  pada  sisi  udara  dilakukan  dengan  mem-plot hasil pengukuran ke diagram Psikrometrik udara. Hasil pengeplotan disajikan pada gambar 10.

## Gambar 10. Hasil plot parameter udara yang dikondisikan pada diagram Psikrometrik
Kapasitas pendinginan dari koil evaporator disajikan pada gambar 11. Gambar grafik tersebut
menunjukkan  bahwa  debit  aliran  udara  sangat mempengaruhi  kapasitas  pendinginan.  Kapasitas pendinginan terbesar 62,364 Watt diperoleh dengan debit aliran udara 1,280 m 3 /s. Ini juga berarti bahwa kapasitas  sistem  refrigerasi  pada  sistem  tata  udara AC  sentral  yang  digunakan  masih  mampu menangani  beban pendingin udara pada debit aliran terbesar.

## Gambar 11. Kapasitas pendinginan udara pada tiap debit aliran udara
Dengan  membandingkan  kapasitas  pendinginan yang  diperoleh  dengan  daya  yang  dikonsumsi,  kita dapat  memperoleh  nilai  Rasio  Efisiensi  Energi (Energy  Eficiency  Ratio/EER). Perbandingan  EER untuk  tiap  variasi  debit  laju  aliran  disajikan  pada gambar  12.  EER  tertinggi  sebesar  3,99  diperoleh pada saat debit aliran udara 1,280 m 3 /s  yang  berarti pada  debit  tertinggi  tersebut  sistem  bekerja  paling efektif.
Gambar 12. Energy Eficiency Ratio (EER) pada tiap debit aliran udara

## KESIMPULAN
Hasil  penelitian  tentang  pengaruh  debit/laju  aliran udara terhadap kinerja sistem refrigerasi pada sistem tata udara AC sentral ini dapat disimpulkan sebagai berikut:
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Waktu (menit) K o n su ms i D ay a K o mp re so r ( W att ) 13000 13500 14000 14500 15000 15500 16000 1,152 1,184 1,216 1,280 Ko ns ums i D ay a Ko mp re so r ( W att ) Debit Udara (m 3 /s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 110 120 120 ENTHALPY - KJ PER KILOGRAM OF DRY AIR 20 30 40 50 60 70 80 90 100 EN THA LP Y - K J PE R KI LO G RA M O F DRY A IR SA TUR AT IO N TE M PE RA TURE - °C 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 D R Y B U L B T E M P E R A T U R E - ° C 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 10% RELAT IVE HUMID ITY 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 5 5 10 10 15 15 20 20 25 25 30 WE T BUL B TE MPE RA TURE - °C 0,8 6 0,8 8 0,9 0 0,9 2 0,9 4 V O LUM E - CUBIC M E TE R P E R K G DRY A IR 0,9 6 0,9 8 1,0 0 1,0 2 1,0 4 HUM IDI T Y RA T IO - G RA M S M O IS T URE P E R K IL O G RA M DRY A IR 1i 1o 2i 2o 3i 3o 4i 4o Note 1 R R ASHRAE PSYCHROMETRIC CHART NO.5 NORMAL TEMPERATURE BAROMETRIC PRESSURE: 92,636 kPa Copyright 1992 AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS, INC. 750 METERS 0 1.0 1.0  - 1,5 2,0 4,0 -4,0 -2,0 -1,0 -0,5 -0,2 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 -5,0 -2,0 0,0 1,0 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 10,0 -   SENSIBLE HEAT Qs TOTAL HEAT Qt ENTHALPY HUMIDITY RATIO  h  W 50000 52000 54000 56000 58000 60000 62000 64000 1,152 1,184 1,216 1,280 K ap as ita s P e n d in gi n an (W att ) Debit Udara (m 3 /s) 3,86 3,78 3,79 3,99 3,50 3,60 3,70 3,80 3,90 4,00 1,152 1,184 1,216 1,280 En e rg y Ef ic ie cy R ati o ( EE R ) Debit Udara (m 3 /s)
1. Kinerja  sistem  refrigerasi  dari  tata  udara  sentral tidak  banyak  dipengaruhi  oleh  laju  aliran  (debit) udara, hal ini terlihat dari:
- Koefisien  kinerja (COP) sistem  refrigerasi tertinggi (5,69) diperoleh pada laju aliran udara (debit) 1,184 m 3 /s, hanya sekitar 4% dari COP pada debit yang terbesar.
- Rasio  kompresi  tertinggi  (3,5)  diperoleh  pada laju aliran (debit) udara terendah 1,152 m 3 /s - Sedang  konsumsi  daya  kompresor  terendah diperoleh  pada  laju  aliran  udara  (debit) terendah 1,152 m 3 /s, sekitar 9% dari konsumsi daya pada debit udara yang terbesar.
2. Kinerja  sistem  tata  udara  lebih  mendapat  pengaruh dari  variasi  laju  aliran  udara  (debit)  dibanding kinerja sistem refrigerasi, ini ditunjukkan oleh:
- Kapasitas  pendinginan  terbesar  (62,364  kW) diperoleh  pada  laju  aliran  (debit)  udara  yang tertinggi 1,280 m 3 /s
- EER  yang  tertinggi  (3,99)  juga  diperoleh  pada laju  aliran  (debit)  udara  yang  tertinggi  1,280 m 3 /s

## SARAN
Untuk  mendapatkan  korelasi  yang  lebih  jelas  dari pengaruh  laju  aliran  udara  (debit)  terhadap  sistem refrigerasi  dari  tata  udara  AC  sentral,  penelitian  ini perlu  dilanjutkan  dengan  variasi  debit  yang  lebih banyak  lagi  sehingga  diperoleh  kinerja  dari  sistem refrigerasi maupun sistem tata udara yang optimum

## DAFTAR PUSTAKA
[1]Pérez-Lombard L, Ortiz J, Pout C . A “ Review on Buildings  Energy  Consumption  Information. Energy and Buildings” 2008;40(3):394-398.
[2]Senoadi,  A.C.  Arya,  Zainulsjah,  Erens,  2015, “Pengaruh  Debit  Aliran  Air  terhadap  Proses Pendinginan  pada Mini  Chiller ”,  Proceeding Seminar  Nasional  Tahunan  Teknik  Mesin  XIV, Banjarmasin
[3]Rasta,  I  Made,  2007,  “Pengaruh  Laju  aliran Volume Chilled Water terhadap NTU pada FCU Sistem  AC Jenis Watter Chiller” . Jurnal Teknik Mesin Vol. 9 No 2, Universitas Kristen Petra
[4] Pita. Edward G, 2002, Air ContioningPrinciples and  systems,  An  Energy  Approach, Prentice Hall, Ohio
[5]ASHRAE  HANDBOOK , 2009 ,  Fundamental  , Atlanta
[6]  HAINES,  2004, HVAC  Sistems  Design Handbook . McGraw-Hill, Amerika
[7]  Wang,.  Shan.K,  2001, Handbook  of  Air Conditioning  dan  Refrigeration, McGraw-Hill, Amerika