PEMANFAATAN PANAS BUANG PENGKONDISI UDARA SEBAGAI PEMANAS AIR DENGAN MENGGUNAKAN PENUKAR PANAS HELIKAL
Daniel Santoso 1 , F. Dalu Setiaji 2
Program Studi Teknik Elektro,  Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
1 danvicz@yahoo.com, 2 fdsetiaji@yahoo.com

## INTISARI
Pada penelitian ini telah direalisasikan sistem pemanas air yang memanfaatkan panas  buang  pengkondisi  udara.  Sistem  serupa  pernah  direalisasikan  dengan memasang  penukar  panas  yang  disisipkan  di  antara  kompresor  dan  kondensor, menggunakan penukar panas  berbentuk  pipa vertikal dari tembaga. Sedangkan pada penelitian  ini,  digunakan  penukar  panas  helikal  berdimensi  setara  dengan  penukar panas  pipa  vertikal  yang  digunakan  pada  penelitian  sebelumnya.  Hasil  pengujian menunjukkan  penukar  panas  helikal  yang  dibuat  memiliki  koefisien  penukar  panas yang 9% lebih besar dibandingkan penukar panas pipa vertikal.
Kata kunci: pengkondisi udara, penukar panas, helikal, pemanas air

## 1. LATAR BELAKANG
Pada  masa  kini,  pengkondisi  udara  ( air  conditioner /  AC)  dan  pemanas  air ( water  heater )  sudah  menjadi  perabot  umum  pada  rumah  tangga  di  perkotaan.
Pengkondisi  udara  diperlukan  karena  Indonesia  merupakan  negara  beriklim  tropis dengan  kondisi  udara  yang  cenderung  panas  dan  lembab,  tidak  nyaman  untuk beraktivitas. Sedangkan pemanas air digunakan untuk mandi air panas sebagai sarana relaksasi tubuh setelah penggunanya melakukan aktivitas yang melelahkan sepanjang hari.  Pengkondisi  udara  umumnya  mengkonsumsi  energi  listrik  untuk  beroperasi yang  besarnya  tergantung  dari  kapasitas  pendinginannya,  sedangkan  pemanas  air memiliki sumber energi yang lebih bervariasi yaitu gas, listrik, dan surya.

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 12 No. 2 Oktober 2013 Hal 129 – 140
Porsi  konsumsi  energi  listrik  untuk  operasional  pengkondisi  udara  suatu bangunan  di  Indonesia  cukup dominan,  mencapai  42,5% dari  total  konsumsi  energi listrik  [1].  Pemanas  air  surya  harganya  jauh  lebih  mahal  dibandingkan  pemanas  air gas  atau  listrik  tetapi  biaya  operasionalnya  nyaris  nol  karena  menggunakan  surya sebagai sumber energi untuk memanaskan air.  Biaya operasional pemanas air listrik lebih  mahal  daripada  pemanas  air  gas  tetapi  penggunaannya  lebih  praktis. Kebanyakan  konsumen  rumah  tangga  di  Indonesia  memilih  menggunakan  pemanas air listrik atau gas karena biaya awal yang lebih terjangkau.
Secara  nasional,  data  statistik  menunjukkan  bahwa  konsumen  rumah  tangga adalah  pengguna  energi  listrik  terbanyak  [2].  Perusahaan  Listrik  Negara  (PLN) sebagai  penyedia  energi  listrik  nasional  secara  dominan  menggunakan  bahan  bakar fosil sebagai  sumber energi [3]. Sebanyak  63,8% menggunakan minyak bumi, 4,8% gas alam, dan 14,4% batubara. Hanya sekitar 17% yang menggunakan sumber energi terbarukan (air, panas bumi, bio-massa).
Pemaparan  komposisi  di  atas  menunjukkan  besarnya  ketergantungan  rumah tangga di Indonesia terhadap sumber energi yang berasal dari fosil yang cadangannya akan  habis dalam beberapa puluh tahun mendatang.  Porsi dominan  konsumsi energi rumah tangga digunakan untuk mengoperasikan pengkondisi udara dan pemanas air yang  diprediksi  akan  terus  meningkat  seiring  dengan  meningkatnya  pertumbuhan ekonomi.  Indonesia  sendiri  memiliki  indeks  elastisitas  energi  1,84  [4].  Indeks  ini menunjukkan  perbandingan  pertumbuhan  konsumsi  terhadap pertumbuhan  ekonomi suatu  negara  yang  idealnya  di  bawah  angka  1,00.  Semakin  tinggi  indeks  ini menunjukkan adanya inefisiensi energi di suatu negara.
Apabila  sedang  beroperasi  mendinginkan  udara  lingkungan,  pengkondisi udara  mendisipasikan  panas  pada  salah  satu  komponennya.  Pengkondisi  udara komersial  standar  tidak  dilengkapi  peralatan  tambahan  untuk  memanfaatkan  panas buang  tersebut  untuk  keperluan  lain.  Dengan  melakukan  modifikasi  minor  pada pengkondisi udara komersial standar dan menambahkan suatu sistem terpisah, panas buang  tersebut  dapat  dimanfaatkan  untuk  memanaskan  air  untuk  keperluan  rumah tangga  sehari  –  hari.  Dengan  cara  ini  didapat  manfaat  ganda,  pemanas  air mendapatkan  sumber  energi  gratis  dan  pengkondisi  udara  menjadi  lebih  efisien karena pembuangan panasnya lebih optimal.
Penelitian  untuk  memanfaatkan  panas  buangan  pengkondisi  udara  untuk memanaskan  air  sudah  pernah  dibuat  [5].    Pada  penelitian  tersebut  digunakan pengkondisi  udara  berdaya  1  PK  ( ≈ 745 W).  Penukar  panas  ( heat  exchanger )  yang dipakai dibentuk dari pipa tembaga  berongga untuk menyalurkan refrigeran (freon), dengan  panjang  5  m  dan  diameter  1  cm.  Pipa  dibentuk  menjadi  12  lekukan  dan dipasang  vertikal  di  dalam  tangki  air  yang  berkapasitas  120  liter.    Penukar  panas tersebut  penempatannya  disisipkan  di  antara  pipa  penghubung  kompresor  dan kondenser pada pengkondisi udara.
Hasil  penelitian  lain  menunjukkan  bahwa  penukar  panas  berbentuk  helikal memiliki unjuk kerja lebih tinggi dibanding pipa vertikal lurus. Dengan dimensi atau ukuran pipa yang setara, penukar panas helikal memiliki koefisien perpindahan panas ( heat  transfer  coefficient )    yang  lebih  baik  dibandingkan  pipa  lurus  ( straight  tube ) [6]. Hasil  simulasi  juga  menunjukkan  bahwa  penukar  panas  pipa  helikal  memiliki koefisien perpindahan panas sekitar 10% lebih tinggi dibanding yang berbentuk pipa lurus [7].
Berdasarkan  latar  belakang  tersebut  maka  pada  penelitian  ini  akan  dibuat suatu  penukar  panas  berbentuk  helikal  yang  diaplikasikan  pada  pengkondisi  udara seperti pada [5], dan akan dibandingkan unjuk kerjanya dalam memanaskar air. Akan dijelaskan  juga  metode  yang  dipakai  untuk  membentuk  pipa  tembaga  yang  lurus sehingga menjadi berbentuk helikal.

## 2. PERANCANGAN DAN PENERAPAN
Pipa  tembaga  yang  digunakan  sebagai  penukar  panas  adalah  merek MM Kembla dengan  diameter  luar d o =9,52  mm,  diameter  dalam d i =8,81  mm  dan memenuhi  spesifikasi  AS/NZ  1571.  Pipa  tembaga  tersebut, dengan  panjang L ,  akan dibentuk  menjadi  penukar  panas  helikal  berdiameter  yang  diameternya  ditetapkan sebesar D .
Dalam  memperkirakan  nilai L ,  dipergunakan  parameter-parameter  dan asumsi-asumsi  yang  mengacu  ke  hasil  pengukuran  yang  telah  dilakukan  oleh beberapa peneliti lain.
Air  yang  akan  dipanaskan  mempunyai  volume V a =40  liter  yang  massanya m air =40kg, dari suhu T i =27 °C menjadi T o =50 °C ( ∆ T = T o - T i =23 °C) dengan  selang
(1) ) MJ ( 86 , 3 T . .c m
W air air    (2) ) C . W/m ( 1560 . . . . 2 L t T .L d W t T . A W h o o o            (3)
112,8(W)    Cout Cin f coil T T c m Q  (4) C/W) ( 0,041 .               a Cout a Cin coil Cout Cin th T T T T ln Q T T R (5) (m/s) 0,64 ) . 25 , 0 ( 2   i d m v    (6) 5,18.10 4     i vd Re (7) 171 ) / ( .Pr 0.023.Re
= 0,1 0,4 0,85
 D d Nu i
waktu pemanasan yang diharapkan ∆ t =3.600 detik (1 jam).  Dengan nilai panas jenis air, c air =4.200(J/kg°C), maka pemanasan tersebut memerlukan energi ( W ) sebesar:
Luas permukaan luar pipa, A o =π d o L , maka nilai h o (koefisien perpindahan panas pada sisi luar pipa) yang diperlukan adalah:
Dengan  menggunakan  hasil  data  eksperimental  [5],  suhu inlet dan outlet penukar panas diasumsikan: T Cin =60 °C, T Cout =50 °C, dan suhu rata-rata, T a =47,2 °C. Selanjutnya  laju  aliran  refrigeran  ( dm / dt )  freon  R-22  diasumsikan  sebesar  0,0057 (kg/s),  sesuai  hasil  pengukuran  oleh  [8].  Nilai  parameter-parameter  termofisis  freon R-22  yang  digunakan,  diambil  dari  [9],  misalnya  panas  jenis  uap  freon, c f =1.583 (J/kg.°C).  Maka  daya  yang  didisipasikan  oleh  penukar  panas  ( Q coil )  adalah  sebagai berikut ini.
Resistans thermal, R th ,  dihitung berdasarkan rumus yang diambil dari [9] adalah:
Untuk  menghitung  bilangan  Reynolds,  digunakan  parameter  refrigeran  sebagai berikut  ini:  rapat  massa, ρ =146  (kg/m 3 ),  viskositas, µ =15,9.10 -5 (Ns/m2)  [9].  Laju refrigeran, v , dapat dihitung dari:
Bilangan Reynolds, Re :
Bilangan Prandtl untuk freon R-22 diambil dari [10], yaitu Pr =0,839, maka bilangan Nusselt bisa dihitung dengan cara sesuai [11], dengan terlebih dulu menetapkan nilai diameter heliks, D =0,1 m:
(8) ) C . W/m ( 388,2 = . 2 d k Nu h i f i   (9) C/W) ( 2 ) / ( 1 1     kL d d ln h A h A R i o o o i i th  (10) 14,8   i D L N 
Nilai h i (koefisien  perpindahan  panas  pada  sisi  dalam  pipa)  dihitung  menggunakan (8), dengan k f = 0,02(W/m.°C) yang merupakan nilai konduktivitas thermal freon.
Nilai  panjang  pipa  yang  diperlukan, L ,  dihitung  dengan  menyelesaikan  (2)  dan  (9), dengan k =400(W/m.°C)  yaitu  nilai  konduktivitas  thermal  pipa  tembaga  yang digunakan.
dan didapatkan nilai L =4,65m.
Jumlah  lilitan, N ,    pipa  tembaga  yang  membentuk  heliks  dapat  dihitung  sebagai berikut ini.
Untuk  membentuk  pipa  tembaga  lurus  menjadi  bentuk  helikal  dilakukan menggunakan  bantuan  mesin  bubut,  denghan  silinder  kayu  berdiameter D =100  mm dan panjang 500 mm, serta mur as berdiameter 10mm. Ilustrasi teknik pengerjaannya dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1.  Teknik pembuatan penukar panas helika
Salah satu ujung pipa tembaga tersebut dipasang dengan kencang pada ujung silinder  kayu,  dan  ujung  lainnya  dibiarkan  lurus  setelah  melewati  mur  as.  Silinder kayu kemudian dicekam pada poros mesin bubut untuk diputar perlahan dengan arah yang sesuai sehingga pipa tembaga melilit silinder kayu tersebut. Putaran dihentikan ketika seluruh pipa tembaga sudah terlilit sempurna pada silinder kayu tersebut, yaitu
sebanyak sekitar 15 lilitan. Gambar 2 menunjukkan  konstruksi dan dimensi penukar panas yang dihasilkan dari teknik ini.
Gambar 2. Konstruksi dan dimensi penukar panas helikal
Penukar  panas  yang  telah  dibuat  selanjutnya  dipasang  pada  bagian  dasar tangki  penampung  air.  Tangki  ini  berbentuk  tabung  dengan    diameter  360  mm  dan tinggi 800 mm sehingga dapat menampung 80 liter air. Bahan pembuat tangki berupa baja  tahan  karat  304  (SS  304)  dengan  ketebalan  bagian  dinding  2  mm,  bagian  alas dan tutup 4 mm. Bagian dinding dibuat rangkap dua, dimana bagian tengahnya diisi material  yang  tidak  menghantarkan panas  berupa glasswool setebal  50  mm. Hal  ini bertujuan  untuk  menghambat  pembuangan  panas  dari  dalam  tangki  ke  lingkungan sekitar.
Bagian inlet penukar panas dihubungkan ke  keluaran kompresor pengkondisi udara  sedangkan  bagian outlet dihubungkan  ke  masukan  kondensor.  Hubungan  ini dilakukan  menggunakan  pipa  tembaga  berdiameter  6,35  mm  (1/4”)  sepanjang  1200 mm untuk masing–masing pada inlet dan outlet . Pengkondisi udara  yang  digunakan jenis split dengan kapasitas 5000 BTU/jam dengan konsumsi daya 390 W. Gambar 3 menunjukkan  konstruksi  dan  dimensi  tangki  serta  hubungan  penukar  panas  ke  unit luar ruangan pengkondisi udara.
Gambar 3. Letak penukar panas dalam tangki serta hubungannya dengan pengkondisi udara
Bahan pendingin (refrigeran)  berwujud uap freon bertekanan tinggi  (sampai dengan  150  psi)  mengalir  dari  kompresor  menuju inlet penukar  panas,  kemudian melewati penukar panas dan  keluar melalui outlet menuju ke  kondensor. Refrigeran tersebut melepas sebagian panasnya ketika melewati penukar panas dengan perkiraan perhitungan  seperti  sudah  dijelaskan  di  atas.  Panas  yang  terlepas  inilah  yang digunakan untuk memanaskan air dalam tangki.

## 3. HASIL DAN ANALISIS
Pada  penelitian  ini  telah  dihasilkan  suatu  penukar  panas  berbentuk  helikal dari  bahan  pipa  tembaga.  Penukar  panas  ini  kemudian  dipasang  di  dasar  tangki  air yang  terbuat  dari  baja  tahan  karat.  Gambar  4  adalah  foto  alat  yang  dihasilkan  dari penelitian ini.

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 12 No. 2 Oktober 2013 Hal 129 – 140
Gambar 4. Penukar panas dan posisinya dalam tangki air
Percobaan pengujian alat dilakukan dua kali, yaitu dalam kondisi tangki tanpa air  dan  dengan  tangki  berisi  air  sebanyak  40  liter  (setengah  kapasitas  maksimum tangki).  Sebelum  percobaan–percobaan  ini  dilakukan,  dipastikan  terlebih  dahulu bahwa tidak ada kebocoran pada penukar panas dan saluran–salurannya dengan cara mengisikan  bahan  pendingin  ke  dalam  sistem  dan  dipantau  tekanannya  selama semalam. Gambar 5 menunjukkan pemantau tekanan terpasang pada salah satu port pada unit luar pengkondisi udara.
Gambar 5.  Pemantau tekanan menunjukkan tekanan bahan pendingin
Setelah  diketahui  bahwa  tekanan  bahan  pendingin  tidak  berubah  selama semalam,  maka  percobaan  dilanjutkan  dengan  menghidupkan  pengkondisi  udara dengan setelan maksimum sehingga bahan pendingin dapat bersirkulasi.
Percobaan tanpa air dilakukan selama 12 menit dengan memantau panas yang dihasilkan  pada  bagian inlet , outlet dan  bodi  penukar  panas  menggunakan termometer digital. Gambar 6 menunjukkan perubahan temperatur masing – masing titik pengukuran terhadap waktu.
Gambar 6.  Hasil pengukuran temperatur pada penukar panas tanpa air
Pada  akhir  percobaan  pertama  didapat  temperatur  maksimum inlet 71,0 o C, outlet 66,2 o C,  dan  bodi  68,5 o C.  Percobaan  harus  dihentikan  pada  titik  ini  karena tekanan  bahan  pendingin  telah  mencapai  100  psi  dan  arus  yang  dikonsumsi pengkondisi  udara  mencapai  2,08  A.  Hal  ini  disebabkan  karena  tanpa  air  penukar panas  tidak  dapat  melepaskan  panas  yang  dibawa  oleh  bahan  pendingin  yang mengalir  di  dalamnya.  Dari  percobaan  ini  diketahui  bahwa  ketika  sistem  beroperasi tangki air tidak boleh dibiarkan kosong karena akan merusak pengkondisi udara.
Pada  percobaan  kedua,  tangki  diisi  air  sebanyak  40  liter  dan  pengkondisi udara  dioperasikan  selama  78  menit.  Suhu  awal  air  27,2 o C.  Titik  yang  dipantau temperaturnya  yaitu inlet , outlet ,  dan  air.  Gambar  7  menunjukkan  perubahan temperatur masing– masing titik pengukuran terhadap waktu.
1,09   65 , 4 . 1 . 120 08 , 5 . 3 . 40 v h h h
Gambar 7. Hasil pengukuran temperatur pada penukar panas dan air
Pada  akhir  percobaan  pertama  didapat  temperatur  maksimum inlet 69,0 o C, outlet 50,9 o C,  dan  air  49,9 o C.  Pada  percobaan  ini  temperatur  air  maksimal  stabil pada  kisaran  50 o C  dan  didapat  setelah  pengkondisi  udara  dihidupkan  selama  68 menit.  Jadi  untuk  menaikkan  temperatur  air  sebanyak  22 o C  dari  suhu  awal diperlukan  waktu  kira–kira  satu  jam,  cukup  sesuai  dengan  perancangan  awal. Sedangkan  pada  [5],  yang  menggunakan  penukar  panas  pipa  vertikal,  untuk memanaskan  air  120  liter  dari  30 o C  menjadi  47 o C  ternyata  butuh  waktu  3  jam. Dapat  ditunjukkan  bahwa  koefisien  perpindahan  panas  penukar  dari  panas  helikal ( h h )  yang  dibuat  ( L =4,65  m),  lebih  tinggi  dibanding  penukar  pipa  vertikal,  ( h v ), dengan L =5,06 m sebagai berikut ini.
(11)

## 4. KESIMPULAN DAN PEKERJAAN LANJUTAN
Penukar  panas  yang  dirancang,  dibuat  dari  pipa  tembaga  berdiameter  9,52 mm  dan  panjang  4,65  m,  yang  dibentuk  menjadi  heliks  berdiameter  10  cm  (14,8 lilitan).  Penukar  panas  dimasukkan  dalam  sebuah  tangki  air  dan  ditempatkan  di antara  kompresor  dan  kondensor  pada  sistem  AC.  Penukar  panas  tersebut  dapat menaikkan  suhu  40  liter  air  sebesar  22,7 o C  dalam  waktu  68  menit.  Penukar  panas
helikal  yang  dibuat  memiliki  koefisien  penukar  panas  sekitar  9%  lebih  besar dibandingkan penukar panas pipa vertikal yang berdimensi setara.
Dengan memanfaatkan sebuah penukar panas, disipasi panas  yang dihasilkan saat  pengkondisi  udara  beroperasi  dapat  digunakan  untuk  memanaskan  sejumlah besar air secara signifikan. Air panas ini dapat disimpan dalam tangki yang memiliki insulasi  panas  untuk  digunakan  kemudian  atau  digunakan  langsung  untuk  berbagai keperluan,  misalnya  mandi  air  panas.  Pada  penelitian  selanjutnya  akan dikembangkan suatu sistem untuk memanfaatkan air panas ini secara optimal.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Soegijanto  A.,  Soelami  P.,  1993, Development  of  Energy  Audit  Methods  for Energy Conservation in OfficeBuilding . [2]  Siregar  RMT.,  2006, Peran  Sikap  Konsumen  Rumah  Tangga  dalam Penghematan  Enerji  Listrik .  Prosiding  pada  Seminar  Nasional  Tenaga  Listrik dan Mekatronik ; IRP 05 : 311-316, ISBN 979-26-2441-4.
[3]  Ardita IM., Prasetyo TW., Sulistyo A., 2008, Optimalisasi Pemanfaatan Energi Terbarukan  Lokal  Untuk  Pembangkit  Tenaga  Listrik  Dengan  Menggunakan Skenario  Energi  Mix  Nasional .  Prosiding  pada  Seminar  Nasional  Sains  dan Teknologi-II ; V : 86-85, ISBN 978-979-1165-74-7.
[4]  Kementrian  Energi  dan  Sumber  Daya  Mineral  Indonesia,  2005, Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005 – 2025 , www.esdm.go.id, diakses tanggal 5 Maret 2012.
[5]   Jeffri  RG  Siburian,  2011, Rancang    Bangun    dan    Pengujian  Pemanas  Air dengan  Memanfaatkan  Panas  Buang  Kondensor  Siklus  Kompresi  Uap  Hybrid dengan  Kapasitas  120  liter ,    Skripsi,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Sumatera Utara.
[6]   Prabhanjan  D.  G.,  2002,  Ragbavan  G.  S.  V.  and  Rennic  T.  J., Comparison  of Heat  Transfer Rates  Between  a  Straight Tube  Heat  Exchanger  and a  Helically Coiled  Heat  Exchanger ,  International  Communications  in  Heat  and  Mass Transfer, Vol. 29, Issue 2.
[7]   Bibin Prasad, et., al., 2013, Comparison of Heat Transfer between a Helical and Straight  Tube  Heat  Exchanger ,  International  Journal  of  Engineering  Research and Technology, ISSN 0974-3154 Volume 6, Number 1.
[8]  Suharto  Joni  Santoso, Analisa  Perbandingan  Konsumsi  Listrik  pada  AC  Split Berbahan  Pendingin  R-22  dengan  AC  Split  Berbahan  Pendingin  MC-22 . eprints.undip.ac.id/25553/1/ML2F304279.pdf , diakses 1 September 2013.
[9] Thermophysical Properties of Compressed R22 , http://xa.yimg.com/kq/groups/3004572/2095395555/name/chap02_2.pdf,
diakses 1 September 2013.
[10] Properties  of  R-22 ,  Industrial  Refrigeration  Consortium  University  of Wisconsin
Madison,  WI  USA.  www.irc.wisc.edu/file.php?id=160 ,  diakses  1  September 2013.
[11] Mohamed E Ali, 2006, Natural Convection Heat Transfer from Vertical Helical Coils in Oil , Heat transfer Engineering, 27(3).