TEKNIK, 43 (3), 2022, 228-235
doi: 10.14710/teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919

## Kajian Unjuk Kerja Termal Susunan Kapsul Phase-Change Material

## Non-Tumbuk di dalam Tangki Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Aktif
Muhammad Nadjib 1* , Tito Hadji Agung Santosa 1 , Gaguk Marausna 2
1 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Jl. Brawijaya, Tamantirto, Kasihan, Bantul, Yogyakarta, Indonesia 55183
2 Program Studi Teknik Dirgantara, Sekolah Tinggi Teknologi Kedirgantaraan Yogyakarta, Jl. Parangtritis KM 4,5, Druwo, Sewon, Bantul, Yogyakarta, Indonesia 55187

## Abstrak
Penggabungan  phase-change  material  (PCM)  dan  air  sebagai  media  penyimpan  kalor  pada  tangki pemanas air tenaga surya (PATS) mendapat perhatian para peneliti karena PCM memiliki densitas energi yang tinggi. Salah satu cara penempatan PCM di dalam tangki PATS adalah metode enkapsulasi. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji unjuk kerja termal pemasangan kapsul tipe non-tumbuk yang berisi PCM di dalam tangki PATS. Alat penelitian memakai sistem PATS aktif dengan kapasitas tangki 60 liter. Paraffin wax dimasukkan ke dalam kapsul tipe silinder. Kemudian, kapsul berjumlah 24 buah  dipasang di dalam tangki yang membentuk susunan non-tumbuk. 20 buah termokopel diletakkan di dalam tangki baik di sisi air maupun PCM. Proses pemanasan sistem PATS memakai solar simulator dengan waktu 160 menit. Data temperatur air dan paraffin wax dipakai untuk menganalisis kinerja termal PATS. Skenario diulangi dengan langkah yang sama tetapi di saluran masuk tangki dipasang penyebar aliran. Hasil unjuk kerja termal dari dua  skenario  dibandingkan.  Susunan  kapsul  tipe  non-tumbuk  memiliki  unjuk  kerja  termal  yang  kurang memuaskan. Penambahan penyebar aliran mampu meningkatkan penyimpanan energi termal kumulatif dan efisiensi pengumpulan kumulatif masing-masing sebesar 46,78% dan 49,52%.
Kata  kunci : energi  termal  kumulatif;  kapsul;  paraffin  wax;  pemanas  air  tenaga  surya;  phase-change material

## Abstract
[Title: Thermal Performance of Non-Collision Type Phase-Change Material Capsule Arrangement in a Tank of Active System Solar Water Heater] Combination of phase-change material (PCM) and water as a heat storage medium in solar water heating tanks (SWH) has received the attention of researchers because of the high energy density of PCM. The encapsulation method is one way to place PCM in SWH's tank. This study investigates the thermal performance of installing a non-collision type capsule containing PCM in an SWH tank. The research uses an active SWH with a tank capacity of 60 liters. Paraffin wax is put into 24 cylindrical capsules; then, the capsules are installed in the tank, which forms a non-collision arrangement. Twenty pieces of thermocouples are placed both on the waterside and the PCM. The heating process uses a  solar  simulator  for  160  minutes.  The  temperature  data  are  used  to  analyze  the  SWH's  thermal performance. The scenario is repeated with the same steps but using the flow spreader at the tank's inlet. The  thermal  performance  results  of  the  two  methods  are  compared.  The  non-collision  arrangement  has unsatisfactory  thermal  performance.  Adding  a  flow  spreader  increases  the  cumulative  heat  storage  and collection efficiency by 46.78% and 49.52%, respectively.
Keywords : capsule; cumulative heat storage; paraffin wax; phase-change material; solar water heater

## 1. Pendahuluan
Matahari merupakan asal muasal energi terbarukan yang tersedia di alam yaitu energi air, energi
------------------------------------------------------------------
*) Penulis Korespondensi. E-mail: nadjibar@umy.ac.id

## TEKNIK, 43 (3), 2022, 229
doi: 10.14710/ teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
biomassa,  energi  angin  dan  energi  panas  bumi.  Energi yang dihasilkan oleh matahari cukup untuk menyediakan energi  bagi  dunia  (Kalidasan  dkk.,  2020).  Indonesia memiliki  insolasi  energi  matahari  yang  besar  yaitu  4,8 kW/m 2 /hari  (Sugiyono  dkk.,  2019).  Oleh  karena  itu, potensi penggunaan energi matahari di Indonesia sangat tinggi. Energi matahari memiliki keuntungan, diantaranya:  tidak  menghasilkan  polusi  sehingga  aman terhadap  lingkungan  (Bazri  dkk.,  2019;  Shahsavari  & Akbari,  2014)  dan  terus  tersedia  selama  masih  ada kehidupan  di  alam.  Dengan  demikian,  energi  matahari dapat  dikembangkan  untuk  penganekaragaman  energi seperti yang sedang digalakkan oleh pemerintah.
Contoh aplikasi energi matahari yang menghasilkan  energi  termal  adalah  pemanas  air  tenaga surya  (PATS).  Teknologi  ini  telah  dikenal  oleh masyarakat. PATS  memiliki  peran  yang strategis dalam bidang  ekonomi  dan  penghematan  energi  (Islam  dkk., 2013). Penggunaan PATS dapat menghemat bahan bakar dari energi fosil (Ibrahim dkk., 2014; Uctug & Azapagic, 2018). PATS yang beroperasi memakai air sebagai media penyimpan  kalor  disebut  sistem  konvensional.  Sistem PATS  mempunyai  kelemahan  yaitu  rendahnya  densitas energi.  Densitas  energi  adalah  kapasitas  energi  termal yang dapat disimpan oleh substansi setiap satuan massa. Pengaruh  rendahnya  densitas  energi  adalah  sistem memerlukan  volume  penyimpanan  energi  termal ( thermal energy storage /TES) besar sehingga konstruksinya  berat  (Fazilati  &  Alemrajabi,  2013). Besarnya  kebutuhan  volume  penyimpanan  ini  juga dipengaruhi  oleh  karakteristik  PATS  yaitu  pemakaian energinya  tidak  bersamaan  dengan  tersedianya  energi matahari  dan  sifat  iradiasi  matahari  yang  berfluktuasi setiap saat (Kee dkk., 2018).
Peningkatan densitas energi di tangki TES adalah salah satu cara untuk memperbaiki kinerja termal PATS. Material  yang  efektif  digunakan  sebagai  penyimpan energi  termal  khususnya  untuk  PATS  adalah phase change  material (PCM)  (Ramírez  dkk.,  2020).  Dari berbagai jenis PCM, paraffin wax menarik diaplikasikan pada  PATS  karena  perubahan  fasenya  mampu  balik (Nomura  dkk.,  2013)  yaitu  dalam  proses charging dan discharging .  Selain itu, paraffin wax memiliki kalor laten tinggi  dan  cocok  untuk  aplikasi solar  thermal  storage (Bouadila  dkk.,  2012).  Akan  tetapi, paraffin  wax memiliki kelemahan. Konduktivitas termal paraffin wax rendah  sehingga  transfer  kalor  saat  proses  pengambilan dan  pelepasan  energi  termal  juga  rendah.  Metode  yang dapat  diterapkan  untuk  menanggulangi  rendahnya transfer  kalor  adalah  dengan  teknik  pengkapsulan (Fukahori dkk., 2016; Salunkhe & Shembekar, 2012).
Studi aplikasi pengkapsulan PCM di dalam tangki PATS telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Kapsul silinder dari alumunium dipakai untuk mewadahi PCM di dalam PATS. Eksperimen dilakukan dengan
membandingkan  antara  PATS  dengan  PCM  dan  tanpa PCM.  PATS  yang  berisi  PCM  memiliki  fraksi  energi yang  diserap  lebih  besar  daripada  PATS  tanpa  PCM (Ibáñez  dkk.,  2006).  Tangki  PATS  diisi  dengan  PCM memakai kapsul silinder berbahan alumunium.
Penggunaan  PCM  meningkatkan  temperatur  air  masuk tangki  pada  saat charging (Padmaraju  dkk.,  2008). Penambahan paraffin wax di dalam tangki PATS vertikal mampu mempertahankan temperatur air di atas 45°C (Al- Hinti dkk., 2010). Penggunaan paraffin wax pada tangki mampu  meningkatkan  penyimpanan  energi  sistem (Kanimozhi & Bapu, 2012). Penyimpanan energi termal PATS yang berisi PCM lebih besar daripada tanpa PCM (Khot, 2014). PATS yang mengintegrasikan air dan PCM sebagai  material  penyimpan  kalor  mampu  mengurangi rugi-rugi  termal  di  kolektor  (Teamah  dkk.,  2018). Perbandingan kinerja termal antara PATS yang memakai PCM  dan  tanpa  PCM  adalah  meningkatkan  efisiensi kolektor (Kumar & Mylsamy, 2019) dan dapat mencegah overheating di  kolektor  (Wang  dkk.,  2019).  Penurunan temperatur  air  panas  lebih  lama  untuk  tangki  PATS vertikal  yang  disisipi  kapsul  PCM  di  bagian  atasnya (Chargui  &  Tashtoush,  2021;  Qin  dkk.,  2019). Keuntungan  penambahan  PCM  di  tangki  PATS  adalah penyerapan energi termalnya lebih tinggi bila dibandingkan  dengan  tangki  tanpa  PCM  (Nazir  dkk., 2019).
Memperhatikan  hasil  penelitian  sebelumnya, teknik  pengkapsulan  PCM  pada  tangki  PATS  mampu memberikan kontribusi terhadap peningkatan unjuk kerja termal.  Faktor  yang  mempengaruhi  pertambahan  unjuk kerja  adalah  luas  permukaan  perpindahan  kalor  yang besar  sehingga  meningkatkan  transfer  kalor  dari heat transfer fluid (HTF) ke PCM. Namun begitu, penelitian terdahulu  belum  membahas  secara  khusus  tentang perilaku  termal  di  tangki  PATS  horisontal  yang menggunakan  susunan kapsul silinder tipe non-tumbuk. Untuk  pemasangan  kapsul  PCM  yang  sejajar  sumbu tangki,  ada  dua  jenis  konstruksi  yaitu  tipe  tumbuk  dan non-tumbuk  seperti  ditunjukkan  di  Gambar  1.  Maksud
(a)                                    (b) Gambar  1 .  Ilustrasi  konstruksi  susunan  kapsul  di dalam  tangki  TES:  (a)  tipe  non-tumbuk,  (b)  tipe tumbuk
doi: 10.14710/ teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
konstruksi  kapsul  tumbuk  adalah  sumbu  saluran  air masuk  tangki  berimpit  dengan  salah  satu  sumbu  kapsul sehingga  aliran  air  panas  langsung  menumbuk  kapsul. Sedangkan untuk kapsul non-tumbuk, saluran air masuk tangki  mengenai  salah  satu  kapsul  secara  langsung sehingga aliran air panas masuk melewati celah-celah di antara susunan kapsul. Tujuan penelitian ini adalah untuk menyelidiki unjuk kerja termal susunan kapsul tipe non- tumbuk  di  dalam  tangki  PATS  yang  terpasang  secara horisontal.

## 2. Bahan dan Metode
Eksperimen memakai air sebagai HTF. PCM yang digunakan  adalah paraffin  wax tipe  RT55.  Pada  saat pemanasan,  air  merupakan  sumber  kalor  PCM.  PCM diletakkan  di  tangki  TES  yang  diwadahi  dalam  kapsul- kapsul. Air di tangki berada di luar susunan kapsul.
Alat eksperimen menggunakan PATS sistem aktif sebagaimana  diilustrasikan  di  Gambar  2.  PATS  terdiri dari  komponen  tangki,  kolektor  matahari,  rangkaian kapsul, pompa dan solar simulator . Kapasitas tangki yang dipakai  adalah  60  liter.  Pemasangan  tangki  dilakukan
secara  horisontal.  Tangki  dihubungkan  dengan  kolektor jenis  pelat  datar  (Wika Solar  Water  Heater ).  Kolektor memiliki luas 1,9 m 2 dan dipasang dengan tilt angle 20° terhadap horisontal. Kapsul silinder dari tembaga dengan diameter  nominal  1  inchi  dan  panjang  1  m  digunakan untuk  mewadahi  PCM. Paraffin  wax dari  Rubitherm sebanyak  331  gram  diisikan  di  setiap  kapsul.  Jumlah kapsul  yang  dipakai  adalah  24  buah.  Kapsul  dirangkai dengan  susunan  non-tumbuk  (lihat  Gambar  1(a)). Kemudian  susunan  kapsul  dimasukkan  di  dalam  tangki PATS. Sistem perpipaan PATS dilengkapi dengan pompa Sharp  di  sisi  keluar  tangki  untuk  mensirkulasikan  air. Oleh karena itu, instalasi PATS ini disebut sistem aktif. Eksperimen memerlukan solar simulator sebagai sumber kalor  bagi  kolektor. Solar  simulator ini  dibutuhkan karena eksperimen dilakukan di dalam ruangan ( indoor ). Solar  simulator memakai  lampu  jenis  halogen  (Philips) sebanyak  24  buah,  masing-masing  dayanya  300  watt. Pengaturan heat  flux dilakukan  dengan  mengatur ketinggian solar  simulator terhadap  kolektor  dan tegangan  listrik  yang  masuk  ke  sistem  elektrikal  yaitu menggunakan voltage regulator .
Temperatur  HTF  dan  PCM  di  dalam  tangki  direkam dengan  termokopel  jenis  K  tipe  FT-K-M6.  Jumlah termokopel yang dipasang adalah 14 buah di HTF dan 15 buah  di  PCM.  Applent  AT4532 Multi-Channel Temperature Meter digunakan sebagai alat akuisisi data. Alat  ukur  debit  air  memakai  rotameter  Omega  dan dipasang  setelah pompa. Pengaturan debit air dilakukan dengan gate valve . Eksperimen ini menggunakan debit air dan heat  flux yang  ditetapkan  konstan.  Debit  aliran  air yang dipakai adalah 2 liter per menit, sedangkan heat flux yang dihasilkan solar simulator adalah 1000 W/m 2 . Eksperimen  tahap  pertama  dilakukan  memakai tutup tangki dengan saluran masuk air panas tanpa diberi penyebar  aliran  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  3a. Tangki  PATS  diisi  air  sampai  penuh,  kemudian  pompa air dinyalakan. Beberapa saat kemudian, debit air diatur pada  2  liter  per  menit.  Proses  pemanasan  sistem  PATS dilaksanakan  selama  160  menit.  Perekaman  temperatur HTF dan PCM dilakukan  setiap menit. Data temperatur
(a) (b) Gambar 3 . Variasi saluran masuk tangki: (a) tanpa penyebar aliran, (b) dengan penyebar aliran
Tanpa penyebar aliran Kapsul Tutup tangki
Gambar 2 . Susunan alat penelitian
doi: 10.14710/ teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
yang  didapatkan,  dipakai  untuk  mengevaluasi  perilaku termal PATS.
Perbedaan  temperatur  sesaat  air  masuk  dan  air keluar  tangki  digunakan  untuk  mencari  kalor  tersimpan sesaat  ( Q ,  kW)  selama  proses  pemanasan  seperti ditunjukkan di Persamaan 1 (Nallusamy dkk., 2007).
= ( ) (1)
dengan adalah  laju  aliran  massa  HTF  (kg/detik), yaitu  kalor  jenis  HTF  (kJ/kg.°C), adalah  temperatur HTF masuk sesaat (°C) dan merupakan temperatur HTF keluar sesaat (°C).
Efisiensi  pengumpulan  kumulatif  ( η ,  %)  adalah rasio antara jumlah energi termal yang tersimpan di tangki dan  jumlah  energi  radiasi  yang  diterima  kolektor  pada waktu  yang  sama.  Efisiensi  pengumpulan  kumulatif dihitung selama proses pemanasan berlangsung menggunakan Persamaan 2 (Esen & Esen, 2005).
= ( ) (2)
dengan adalah  laju  aliran  massa  HTF  (kg/detik), adalah kalor jenis HTF (J/kg.°C), yaitu temperatur HTF akhir  sesaat  (°C), adalah  temperatur  HTF  awal  sesaat (°C),    merupakan  luas  permukaan  kolektor  (m 2 )  dan adalah heat flux dari solar simulator (W/m 2 ).
Energi  termal  kumulatif  sistem  PATS  ditentukan dengan menjumlahkan nilai kalor tersimpan sesaat selama proses  pemanasan.  Eksperimen  berikutnya  adalah menambahkan penyebar aliran di saluran masuk air panas (Gambar  3b).  Langkah  yang  sama  dilaksanakan  seperti pada  tahap  pertama.  Langkah  selanjutnya  adalah melakukan  pembandingan  dan  analisis  antara  dua  tahap eksperimen.

## 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Evolusi Temperatur Rata-rata HTF
Evolusi  temperatur  rata-rata  HTF  di  tangki ditunjukkan  di  Gambar  4.  Nilai  ini  adalah  rata-rata  dari semua  termokopel  HTF  yang  terpasang.  Kedua  grafik tersebut menunjukkan kenaikan temperatur seiring dengan waktu  pemanasan.  Kenaikan  temperatur  HTF  cukup konstan akibat energi termal yang diterima kolektor adalah relatif sama.
Menurut  Gambar  4,  kenaikan  temperatur  HTF yang  menggunakan penyebar  aliran lebih  tinggi daripada tanpa  penyebar  aliran.  Temperatur  awal  dan  akhir  HTF untuk konstruksi tanpa penyebar aliran adalah 25,64°C dan 37,15°C  dengan  selisih  temperatur  11,51°C.  Untuk konstruksi menggunakan penyebar aliran, temperatur awal dan  akhirnya  adalah  25,85°C  dan  44,05°C  dengan perbedaan  temperatur  sebesar  18,2°C.  Penambahan penyebar aliran dapat  meningkatkan transfer kalor antara air panas dan HTF di dalam tangki.
Kecepatan pemanasan HTF rata-rata untuk saluran masuk tanpa penyebar dan dengan penyebar aliran masing- masing  adalah  0,07  °C/menit  dan  0,11  °C/menit. Pemasangan  penyebar  aliran  di  saluran  masuk  air  panas dapat  meningkatkan  kecepatan  pemanasan  sebesar 58,04%.
Rendahnya  kenaikan  temperatur  tanpa  penyebar aliran  diduga  karena  aliran  air  panas  dari  saluran  masuk tidak  menumbuk  kapsul  melainkan  langsung  menuju saluran  keluar.  Aliran  air  panas  yang  tidak  menumbuk kapsul menyebabkan penyebaran ke semua bagian tangki terhambat  sehingga  perolehan  energi  termalnya  rendah. Penelitian  tentang  penggunaan  susunan  kapsul  tumbuk menghasilkan  kecepatan pemanasan rata-rata  yang  tinggi yaitu  0,23  °C/menit  (Nadjib  dkk.,  2020).  Hasil  ini menguatkan  dugaan  di  atas  tentang  pengaruh  tumbukan kapsul terhadap penyebaran air panas.
Gambar 4 . Evolusi temperatur rata-rata HTF
Gambar  5 .  Beda  temperatur  HTF  masuk  dan  keluar tangki
doi: 10.14710/ teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919

## 3.2 Beda Temperatur Sisi Masuk dan Keluar Tangki
Sisi  masuk  dan  keluar  air  di  tangki  direkam temperaturnya  selama  proses charging .  Hasil  perbedaan temperatur  yang  diperoleh  disajikan  di  Gambar  5.  Beda temperatur HTF pada Gambar 5 terjadi karena ada transfer kalor dari air panas masuk ke HTF di dalam tangki. Profil grafik di Gambar 5 antara kedua parameter hampir sama. Grafik  meningkat  drastis  di  awal  pemanasan  yang disebabkan adanya beda temperatur yang signifikan antara HTF  di  sisi  masuk  dan  keluar  tangki.  Mulai  menit  ke-3, grafik  melandai  dan  cenderung  berfluktuasi.  Selisih temperatur  HTF  masuk  dan  keluar  tangki  relatif  stabil akibat  adanya  transfer  kalor  antara  HTF  dan  PCM. Peristiwa  ini  mengakibatkan  grafik  di  Gambar  5  tidak terjadi kenaikan yang tajam. Transfer kalor terjadi selama HTF mengalir di dalam tangki. Kondisi ini mengakibatkan besarnya  transfer  kalor  tidak  seragam  di  setiap  bagian tangki  dan  setiap  waktu.  Oleh  karena  itu  perbedaan temperaturnya juga berubah-ubah.
Beda  temperatur rata-rata untuk  konstruksi tanpa menggunakan  penyebar  dan  memakai  penyebar  aliran masing-masing  yaitu  9,29°C  dan  13,26°C.  Persentase kenaikan  beda  temperatur  rata-rata  yang  terjadi  adalah 42,7%.  Meningkatnya  beda  temperatur  rata-rata  ini disebabkan  oleh  tingkat  penyebaran  air  panas  lebih merata  di  sepanjang  tangki.  Transfer  kalor  menjadi meningkat  sehingga  beda  temperatur  antara  sisi  masuk dan sisi keluar tangki semakin besar.
3.3 Kalor Tersimpan Sesaat
Kalor tersimpan sesaat menggambarkan perolehan energi  termal  media  penyimpan  kalor  di  dalam  tangki TES  di  setiap  waktu  pengambilan  data.  Gambar  6 menunjukkan  hasil  perhitungan  kalor  tersimpan  sesaat. Grafik  kalor  tersimpan  sesaat  memiliki  pola  yang  sama dengan  beda  temperatur  HTF  sisi  masuk  dan  keluar tangki. Beda temperatur tersebut merupakan driving force untuk  kalor  tersimpan  sesaat  sebagaimana  yang ditunjukkan di ruas kanan suku ketiga persamaan (1).
Kalor  tersimpan  sesaat  rata-rata  untuk  saluran masuk tanpa dipasang penyebar aliran dan yang terdapat penyebar aliran masing-masing adalah 1,28 kW dan 1,82 kW. Besarnya persentase kenaikan kalor tersimpan sesaat yaitu 42,77%. Penggunaan penyebar aliran menyebabkan distribusi  air  panas  merata  di  tangki.  Fenomena  ini menyebabkan  selisih  temperatur  HTF  sesaat  di  dalam tangki meningkat.
Kalor  tersimpan  sesaat  yang  ditunjukkan  di Gambar  6  memiliki  pola  yang  mirip  dengan  hasil penelitian sebelumnya. Kalor tersimpan sesaat melandai dengan  fluktuasi  yang  ringan  (Nallusamy  dkk.,  2007). Saat  proses charging berlangsung,  PCM  mulai  mencair dan kalor yang tersimpan sesaat hampir seragam karena perbedaan temperatur antara HTF masuk dan keluar yang tidak terlalu jauh.

## 3.4 Energi Termal Kumulatif
Energi  termal  kumulatif  suatu  sistem  PATS menggambarkan kemampuan dalam menghasilkan energi termal selama proses pemanasan. Gambar 7 menunjukkan  energi  termal  kumulatif  untuk  kedua kondisi  saluran  masuk  tangki.  Grafik  di  Gambar  7 menjelaskan  bahwa  energi  termal  bertambah  secara kontinyu  dari  awal  sampai  akhir  proses  pemanasan. Energi termal kumulatif untuk konstruksi saluran masuk tanpa penyebar aliran adalah 12,09 MJ, sedangkan harga untuk  penambahan  penyebar  aliran  yaitu  sebesar  17,75 MJ.  Penambahan  penyebar  aliran  dapat  meningkatkan energi termal kumulatif sebesar 46,78%. Peningkatan ini disebabkan  penyebaran  aliran  air  panas  lebih  merata  di sepanjang penampang tangki. Pengaruhnya adalah dapat menambah transfer kalor dari air panas ke HTF.
Gambar  7  bermanfaat  untuk  memperkirakan waktu  pemanasan  sistem  PATS  bila  ditargetkan mempunyai energi termal akumulatif tertentu. Misalnya sistem  dengan  penyebar  aliran  direncanakan  memiliki akumulasi  energi  termal  sebesar  20  MJ,  waktu pemanasan diprediksikan 185  menit. Dengan akumulasi
Gambar 6 . Kalor tersimpan sesaat
Gambar 7 . Energi termal kumulatif
doi: 10.14710/ teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
energi  termal  yang  sama  maka  sistem  tanpa  penyebar aliran memerlukan waktu pemanasan selama 253 menit.
Hasil  penelitian  ini  sesuai  dengan  peneliti terdahulu  yaitu  semakin  lama  proses charging maka jumlah energi termal yang tersimpan semakin tinggi dan kenaikannya  terjadi  secara  kontinyu  (Ezan  dkk.,  2011). Hasil penelitian yang disajikan di Gambar 7 juga sesuai dengan  kesimpulan  peneliti  sebelumnya  yaitu  semakin tinggi temperatur HTF di tangki TES maka energi termal kumulatifnya  semakin  tinggi  (Hosseini  dkk.,  2014).  Di samping  itu,  temperatur  HTF  di  tangki  yang  tinggi menyebabkan  PCM  cepat  mengalami  perubahan  fase. Semakin  cepat  PCM  mengalami  perubahan  fase  maka sistem  memiliki  energi  termal  kumulatif  yang  tinggi (Zhang dkk., 2021).

## 3.5 Efisiensi Pengumpulan Kumulatif
Parameter  ini  diperoleh  dengan  menggunakan persamaan  (2)  yang  hasilnya  disajikan  di  Gambar  8. Efisiensi pengumpulan kumulatif memiliki pola kenaikan nilai  yang  tinggi  di  permulaan  proses  pemanasan  dan setelah  itu  melandai  sampai  akhir  proses.  Kenaikan efisiensi  pengumpulan  kumulatif  yang  tinggi  di  awal proses disebabkan oleh perbedaan temperatur HTF sesaat yang besar di tangki TES. Semakin lama proses charging berlangsung,  perbedaan  temperatur  tersebut  semakin rendah dan menuju kondisi stabil. Oleh karena itu, grafik yang terjadi adalah cenderung mendatar.
Harga  efisiensi  pengumpulan  kumulatif  rata-rata untuk  saluran  masuk  tanpa  penyebar  aliran  dan  dengan penyebar  aliran  masing-masing  adalah  63,85%  dan 95,47%. Pengubahan konstruksi saluran masuk air panas dapat  meningkatkan  perolehan  efisiensi  pengumpulan kumulatif sebesar 49,52%. Penyebab terjadinya peningkatan  efisiensi  ini  adalah  temperatur  HTF  yang tinggi  pada  penambahan  penyebar  aliran  sebagaimana ditunjukkan  di  Gambar  4.  Tingginya  temperatur  HTF menyebabkan perbedaan temperatur sesaat di setiap data lebih  besar.  Menurut  persamaan  (2),  kondisi  ini
menyebabkan efisiensi pengumpulan akumulatif meningkat.
Berdasarkan  hasil  yang  diperoleh  di  atas  maka konstruksi  susunan  kapsul  tipe  non-tumbuk  dapat ditingkatkan  unjuk  kerja  termalnya  dengan  memasang penyebar  aliran  di  saluran  masuk  tangki.  Penambahan penyebar  aliran  mampu  meningkatkan  performansi termal sistem PATS-PCM dalam hal evolusi temperatur HTF,  beda  temperatur  HTF  di  sisi  masuk  dan  keluar tangki,  kalor  tersimpan  sesaat,  energi  termal  kumulatif dan efisiensi pengumpulan kumulatif secara signifikan.
Penggunaan  susunan  kapsul  tipe  non-tumbuk biasanya dipilih apabila diinginkan pengukuran temperatur  HTF  tepat  di  sumbu  tangki.  Pengukuran  ini dilakukan  dengan  memasang  termokopel  di  sepanjang sumbu  aksial  tangki.  Konstruksi  tersebut  dipilih  oleh peneliti  terdahulu  tentang  PATS-PCM  tipe  pasif ( thermosyphon ) tanpa memakai penyebar aliran (Nadjib,
2016).  Sistem  PATS-PCM  dilakukan charging dengan waktu 252 menit dan diperoleh laju pemanasan rata-rata HTF  sebesar  0,109  °C/menit.  Debit  aliran  HTF  pada sistem  PATS thermosyphon adalah  rendah  yaitu  sekitar 0,6  liter/menit  dan  tergantung  oleh  radiasi  matahari (Dehghan & Barzegar, 2011). Rendahnya debit HTF ini tidak  menjadi  persoalan  pada  susunan  kapsul  tipe  non- tumbuk karena tersedia waktu yang cukup bagi air panas untuk  bercampur  dengan  HTF  di  dalam  tangki  TES. Untuk  aplikasi  PATS  tipe  aktif  dan  susunan  kapsulnya non-tumbuk,  air  panas  mempunyai  kecenderungan menerobos  sela-sela  kapsul  sehingga  kurang  terjadi penyebaran  di  sepanjang  penampang  tangki.  Fenomena ini berbeda dengan susunan kapsul tumbuk dimana aliran HTF menumbuk kapsul sehingga membantu penyebaran air panas.

## 4. Kesimpulan
Kajian  unjuk  kerja  termal  susunan  kapsul  non- tumbuk  di  dalam  tangki  PATS-PCM  telah  dilakukan secara  eksperimental.  Susunan  kapsul  non-tumbuk memiliki  unjuk  kerja  termal  yang  rendah  karena  energi termal dari air panas  yang  masuk tidak dapat tersimpan secara  optimal  di  dalam  tangki  TES.  Penambahan penyebar  aliran  di  saluran  masuk  air  panas  mampu meningkatkan  unjuk  kerja  termal  cukup  signifikan. Peningkatan  kecepatan  pemanasan  rata-rata  HTF,  beda temperatur sisi masuk dan keluar tangki, energi tersimpan sesaat, energi termal kumulatif dan efisiensi pengumpulan  kumulatif  pada  konstruksi  dengan penyebar  aliran  masing-masing  adalah  58,04%,  42,7%, 42,77%,  46,78%  dan  49,52%  dibandingkan  dengan konstruksi  tanpa  penyebar  aliran.  Penelitian  lanjutan tentang pemakaian kapsul silinder yang berisi PCM pada PATS  direkomendasikan  tidak  memakai  susunan  tipe non-tumbuk.
Gambar 8 . Efisiensi pengumpulan kumulatif

## TEKNIK, 43 (3), 2022, 234
doi: 10.14710/ teknik.v43i3.42149               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian  ini  terlaksana  berkat  dukungan  LP3M Universitas Muhammadiyah Yogyakarta dengan Kontrak No.  550/PEN-LP3M/II/2020.  Terima  kasih  kepada LP3M dan pihak-pihak yang membantu penelitian ini.

## Daftar Pustaka
Al-Hinti, I., Al-Ghandoor, A., Maaly, A., Abu Naqeera,
I.,  Al-Khateeb,  Z.,  &  Al-Sheikh,  O.  (2010). Experimental  investigation  on  the  use  of  water- phase change material storage in conventional solar water  heating  systems. Energy  Conversion  and Management , 51 (8),
1735–1740.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.08.038 Bazri, S., Badruddin, I. A., Naghavi, M. S., Seng, O. K., &  Wongwises,  S.  (2019).  An  analytical  and comparative study of the charging and discharging processes in a latent heat thermal storage tank  for solar water heater system. Solar Energy , 185 (June), 424–438. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.04.046 Bouadila,  S.,  Fteïti,  M.,  Mehdi,  M.,  Guizani,  A.,  & Farhat,  A.  (2012). The  Fourth  International Renewable  Energy  Congress  Experimental  and numerical  investigation  of  a  solar  water  heater with  latent  storage  cavity  Enhancement  of  latent heat storage in a  rectangular cavity : Solar water heater case study . December 2018 .
Chargui,  R.,  &  Tashtoush,  B.  (2021).  Thermoeconomic Analysis of Solar Water Heaters Integrating Phase Change Material Modules and Mounted in Football Pitches  in  Tunisia. Journal  of  Energy  Storage , 33 (November 2020). https://doi.org/10.1016/j.est.2020.102129
Dehghan,  A.  A.,  &  Barzegar,  A.  (2011).  Thermal performance behavior of a domestic hot water solar storage tank during consumption operation. Energy Conversion  and  Management , 52 (1),  468–476. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2010.06.075 Esen, M., & Esen, H. (2005). Experimental investigation of  a  two-phase  closed  thermosyphon  solar  water heater. Solar Energy , 79 (5), 459–468. https://doi.org/10.1016/j.solener.2005.01.001 Ezan,  M.  A.,  Ozdogan,  M.,  &  Erek,  A.  (2011). Experimental  study  on  charging  and  discharging periods  of  water  in  a  latent  heat  storage  unit. International Journal of Thermal Sciences , 50 (11), 2205–2219. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2011.06.010 Fazilati,  M.  A.,  &  Alemrajabi,  A.  A.  (2013).  Phase change  material  for  enhancing  solar  water  heater, an experimental approach. Energy Conversion and Management , 71 ,
138–145.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.03.034
Fukahori, R., Nomura, T., Zhu, C., Sheng, N., Okinaka, N., & Akiyama, T. (2016). Macro-encapsulation of metallic  phase  change  material  using  cylindrical- type  ceramic  containers  for  high-temperature thermal energy storage. Applied Energy , 170 , 324– 328.
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.02.106
Hosseini, M. J., Rahimi, M., & Bahrampoury, R. (2014). Experimental  and  computational  evolution  of  a shell  and  tube  heat  exchanger  as  a  PCM  thermal storage  system. International  Communications  in Heat and Mass Transfer , 50 , 128–136. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2013.1 1.008
Ibáñez, M., Cabeza, L. F., Solé, C., Roca, J., & Nogués, M. (2006). Modelization of a water tank including a  PCM  module. Applied  Thermal  Engineering , 26 (11–12), 1328–1333. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2005.10. 022
Ibrahim,  O.,  Fardoun,  F.,  Younes,  R.,  &  Louahlia- Gualous,  H.  (2014).  Review  of  water-heating systems:  General  selection  approach  based  on energy  and  environmental  aspects. Building  and Environment , 72 , 259–286.
https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2013.09.006 Islam,  M.  R.,  Sumathy,  K.,  &  Ullah  Khan,  S.  (2013). Solar  water  heating  systems  and  their  market trends. Renewable  and  Sustainable  Energy
Reviews , 17 , 1–25. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.09.011
Kalidasan,  B.,  Pandey,  A.  K.,  Shahabuddin,  S., Samykano,  M.,  Thirugnanasambandam,  M.,  & Saidur,  R.  (2020).  Phase  change  materials integrated  solar  thermal  energy  systems:  Global trends  and  current  practices  in  experimental approaches. Journal  of  Energy  Storage , 27 (November 2019). https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101118
Kanimozhi,  B.,  &  Bapu,  B. R.  R.  (2012).  Experimental study  of  thermal  energy  storage  in  solar  system using  PCM. Advanced  Materials  Research , 433 – 440 (July 2015), 1027–1032.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.4 33-440.1027
Kee, S. Y., Munusamy, Y., & Ong, K. S. (2018). Review of  solar  water  heaters  incorporating  solid-liquid organic phase change materials as thermal storage. Applied  Thermal  Engineering , 131 ,  455–471. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.12. 032
Khot,  S.  A.  (2014).  Enhancement  of  thermal  storage system  using  phase  change  material. Energy
Procedia , 54 , 142–151. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.07.257
Kumar,  P.  M.,  &  Mylsamy,  K.  (2019).  Experimental investigation of solar water heater integrated with a nanocomposite  phase  change  material:  Energetic and  exergetic  approach. Journal  of  Thermal Analysis  and  Calorimetry , 136 (1),  121–132. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7937-9
Nadjib,  M.  (2016).  Penggunaan  Paraffin  Wax  Sebagai Penyimpan  Kalor  Pada  Pemanas  Air  Tenaga Matahari  Thermosyphon. Rotasi , 18 (3),  76. https://doi.org/10.14710/rotasi.18.3.76-85
Nadjib, M., Suhanan, & Waluyo, J. (2020). Experimental investigation of thermal behavior in an active type solar water heater based on phase change material using solar simulator. AIP Conference Proceedings , 2296 . https://doi.org/10.1063/5.0030475
Nallusamy,  N.,  Sampath,  S.,  &  Velraj,  R.  (2007). Experimental investigation on a combined sensible and  latent  heat  storage  system  integrated  with constant/varying  (solar)  heat  sources. Renewable Energy , 32 (7),
1206–1227.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2006.04.015 Nazir, H., Batool, M., Bolivar Osorio, F. J., Isaza-Ruiz, M.,  Xu,  X.,  Vignarooban,  K.,  Phelan,  P., Inamuddin,  &  Kannan,  A.  M.  (2019).  Recent developments in phase change materials for energy storage  applications:  A  review. International Journal of Heat and Mass Transfer , 129 , 491–523. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.0 9.126
Nomura,  T.,  Tsubota,  M.,  Oya,  T.,  Okinaka,  N.,  & Akiyama, T. (2013). Heat storage in direct-contact heat  exchanger  with  phase  change  material. Applied  Thermal  Engineering , 50 (1),  26–34. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.04. 062
Padmaraju,  S.  A.  V.,  Viginesh,  M.,  &  Nallusamy,  N. (2008).  Comparitive  study  of  sensible  and  latent heat  storage  systems  integrated  with  solar  water heating unit. Renewable Energy and Power Quality Journal , 1 (6),
55–60.
https://doi.org/10.24084/repqj06.218
Qin, D., Yu, Z. J., Yang, T., Li, S., & Zhang, G. (2019). Thermal performance evaluation of a new structure hot  water  tank  integrated  with  phase  change materials. Energy  Procedia , 158 ,  5034–5040.
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.659 Ramírez,  C.  C.,  Jaramillo,  F.,  &  Gómez,  M.  (2020).
Systematic  review  of  encapsulation  and  shape- stabilization of phase change materials. Journal of Energy Storage , 30 (52).
https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101495
Salunkhe, P. B., & Shembekar, P. S. (2012). A review on effect  of  phase  change  material  encapsulation  on the  thermal  performance  of  a  system. Renewable and  Sustainable  Energy  Reviews , 16 (8),  5603– 5616. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.05.037
Shahsavari,  A.,  &  Akbari,  M.  (2014).  Renewable  and Sustainable  Energy  Reviews. ScienceDirect , 41 (October),
1277–1287.
http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S13640 32114007898
Sugiyono,  A.,  Anindhita,  I.  F.,  Wahid,  L.,  &  Adiarso. (2019). “Outlook Energi Indonesia 2019: Dampak Peningkatan Pemanfaatan Energi Baru Terbarukan Terhadap  Perekonomian  Nasional.”  In Pusat Pengkajian Industri Proses dan Energi.
Teamah, H. M., Lightstone, M. F., & Cotton, J. S. (2018). Potential  of  cascaded  phase  change  materials  in enhancing  the  performance  of  solar  domestic  hot water  systems. Solar  Energy , 159 (November 2017), 519–530. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.11.034
Uctug,  F.  G.,  &  Azapagic,  A.  (2018).  Life  cycle environmental  impacts  of  domestic  solar  water heaters in Turkey: The effect  of different climatic regions. Science  of  the  Total  Environment , 622 –
623 , 1202–1216.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.12.057 Wang,  D.,  Wang,  X.,  Chen,  Y.,  Kang,  W.,  &  Liu,  Y. (2019). Experimental study on performance test of serpentine  flat  plate  collector  with  different  pipe parameters  and  a  new  phase  change  collector. Energy
Procedia , 158 , 738–743. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.197
Zhang,  T.,  Lu,  G.,  &  Zhai,  X.  (2021).  Design  and experimental  investigation  of  a  novel  thermal energy  storage  unit  with  phase  change  material. Energy  Reports , 7 (December  2020),  1818–1827. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.03.029