AUSTENIT

## JURNAL AUSTENIT

## VOLUME 6, NOMOR 2,  OKTOBER 2014

## STUDI LITERATUR TENTANG SISTEM PENDINGIN DENGAN PERTUKARAN LANGSUNG (DIRECT EXCHANGE) GEOTERMAL DAN AIR SEBAGAI REFRIGERAN

## Widiyatmoko 1)
1) Staf Pengajar Jurusan Teknik Pendingin dan Tata Udara, Politeknik Sekayu Jln. Kolonel Wahid Udin, Lk.1, Kayuara, Sekayu, Kabupaten Musi Banyuasin, Sumsel Telp/Fax (0714) 321099

## Abstrak
Sistem  HVAC  adalah  salah  satu  komponen  terbesar  dalam  konsumsi energi  di  sebuah  gedung.  Untuk  rumah  pribadi  dapat  mengkonsumsi  energi hingga  42%.  Terdapat  pilihan  sistem  tata  udara  dengan  efisiensi  tinggi  yaitu sistem  geotermal.  Pada  tulisan  ini,  penulis  melakukan  kajian  literatur  terhadap teknik  tata  udara  memanfaatkan  geotermal  dengan  sistem  Direct  Exchange (Pertukaran  langsung)  dengan  menggunakan  air  sebagai  refrigerannya.Sistem pertukaran  langsung  (direct  exchange)  adalah  sistem  tipe  pendingin  dan pemanas  geotermal  tertutup  pada  pipa  tembaga  dimana  refrigeran  bersirkulasi. Pipa tembaga dipasang pada jalur yang dipasang secara vertical atau horizontal. Simulasi  pemodelan  sistem  tata  udara  dengan  sistem  pompa  kalor  geotermal untuk  gedung  tempat  tinggal  menunjukkan  bahwa  periode  5  tahun  merupakan hasil terbaik sebagai penukar kalor adalah 14 penukar kalor disusun seri dengan jarak 10 meter dan panjang 100 m. Sistem geotermal dengan sistem pertukaran langsung  (direct  exchange),  tanpa  adanya  secondary  refrigeran  berhasil menurunkan  suhu  ruangan.  Gaffar  menggunakan  air  sebagai  refrigeran  pada sistemnya,  dengan  penambahan  koil  penguap  sebagai  elemen  penunjang.  Air yang  mengalir  pada  pipa  tembaga  mampu  mentransfer  kalor  dari  dingin  (air tanah)  ke  panas  (lingkungan)  dengan  karakteristik  panjang  pipa,  diameter  pipa yang  bervariasi,  dan  kecepatan  alir  yang  bervariasi  akan  memiliki  kemampuan pemindahan  kalor  yang  bervariasi  pula.Berdasarkan  studi  literature  yang  telah dilakukan,  didapatkan  kesimpulan  bahwa  sistem  pertukaran  langsung  (Direct Exchange)  geotermal  dapat  dilakukan  dengan  menggunakan  air  sebagai refrigeran,  laju  perpindahan  kalor  pada  pipa  dengan  fluida  air  dipengaruhi  oleh dimensi pipa dan suhu air tanah, dan dalam perencanaan dan penerapan teknik khususnya sistem pertukaran langsung geotermal dapat didekati dengan rumus- rumus empiris.
Kata  kunci  :  geotermal,  pertukaran  langsung  (direct  exchange),  air,  rumus empiris

## 1. PENDAHULUAN
Dewasa
ini, penelitian banyak dikembangkan  dalam  peningkatan  penye- rapan  sistem  refrigerasi.  Pendingin  kompresi gas mekanis  memerlukan energi yang besar. (12)
Sistem  HVAC  adalah  salah  satu komponen terbesar  dalam konsumsi energi di sebuah  gedung.  Untuk  rumah  pribadi  dapat mengkonsumsi  energi  hingga  42%.  Terdapat pilihan  dengan  efisiensi  tinggi tersedia  seperti pompa kalor geotermal. Pompa kalor geotermal  memiliki  efisiensi  tertinggi  dengan konsumsi energi tahunan hingga separuh dari sistem yang biasanya. (2)
Berdasar  organisasi  pengamat  dunia, gedung-gedung  mengkonsumsi  sekitar  40% produksi energy. (11) Menurut Sadowska dan  Kazowski  tabung  bumi  adalah  solusi penyimpanan  energi.  Mereka  telah  sukses
telah  menurunkan  suhu  gedung  sekitar  2 sam- pai dengan 3 derajat. (11) Menurut Calabro
dan Fazio, perubahan iklim dan dampak lingkungan lain yang negatif, dikombinasikan dengan ketergantungan  energi  bahan  bakar    fosil yang    biayanya    terus    naik  terhadap kebutuhan    energi,  menunjukkan  kebutuhan untuk  mencari  sumber  terbarukan  yang bahkan tersedia secara lokal. Hal ini menjadi alasan mengapa banyak hal menarik berkaitan dengan geotermal. (2)
Geotermal  merupakan  teknologi  yang memanfaatkan  suhu  bumi.  Terdapat  dua jenis  geotermal,  yaitu  high  grade geothermal dan  low  grade  geothermal.  High  grade geothermal  adalah  panas  dan  tekanan  bumi yang  merubah  air  menjadi  uap.  Low  grade geothermal adalah energi kalor pada permukaan bumi. Pada kesempatan
berikutnya,  low  grade  geothermal  disebut dengan geotermal.
Banyaknya penerapan
maupun penelitian tentang geotermal di eropa maupun amerika  khususnya  sebagai  pompa  kalor (penghangat  ruangan)  maupun  pendingin ruangan,  meningkatkan  rasa  ingin  tahu penulis  tentang  penerapan maupun penelitian geotermal di asia, khususnya di Indonesia.
Pada  tulisan  ini,  penulis  melakukan kajian  literatur  terhadap  teknik  tata  udara dengan  memanfaatkan  geotermal  dengan sistem Direct Exchange (Pertukaran langsung). .

## 2. PERUMUSAN MASALAH
Rendahnya  efisiensi  energy  dalam system  tata  udara,  sedangkan  kebutuhan energy  listrik  pada  sistem  tata  udara  dalam rangka  mencapai  suhu  kenyamanan  termal sangat  tinggi,  sehingga  dibutuhkan  solusi untuk  permasalahan  ini.  Agar    permasalahan diatas    dapat  diatasi,    maka    dirumuskan masalah yang akan dibahas, yaitu
a) Bagaimana sistem geotermal pertukaran langsung menggunakan air sebagai refrigerant?
b) Apakah system geotermal sederhana dapat mencapai suhu kenyamanan manusia?.
c) Hal apa yang mempengaruhi desain system pertukaran langsung geotermal?.

## 3. TUJUAN  DAN MANFAAT
Tujuan  dari  penulisan  ini  adalah  untuk menunjukkan  bahwa  teknologi  geotermal Direct  Exchange  dapat  diterapkan  dimanapun dengan  menggunakan  air  sebagai  zat  alirnya, dan  untuk  mengetahui  pendekatan  rancang bangun system geotermal. Kemudian diharapkan dari tulisan ini dapat menjadi salah satu  literature  maupun  inspirasi  bagi  peneliti maupun  praktisi  yang memiliki  minat  terhadap teknologi geotermal.

## 4. TINJAUAN  PUSTAKA DAN DASAR TEORI
Teknologi  geotermal  merupakan  proses untuk  menyalurkan  panas  ataupun  dingin  ke dalam  gedung.  Sistem  pemanasan  dan pendinginan  geotermal  mentransfer  energi kalor dari bumi, termasuk air bawah tanah dan pompa  kalor  atau  penukar  kalor,  untuk memanaskan  atau  mendinginkan  gedung.
Dibawah  10  kaki,  suhu  atau  air  tanah bervariasi dari 50 0 -55 0 F (10 0 -13 0 C) sepanjang tahun.  Terdapat  dua  desain  yang  digunakan dalam  industri,  pompa  kalor  geotermal menggunakan pompa kalor secondary ground  loop  (loop  bawah  tanah  sekunder) dan  Direct  Exchange  (DX)  (pertukaran langsung) bawah tanah (Gambar 1 dan 2).
Pompa  kalor  geotermal  atau  pompa kalor  sumber  tanah  /  GeotHermal  Source Heat Pump
(GHSP) adalah sistem pemanasan  dan/atau  pendinginan yang memompa  kalor  dari  atau  menuju  tanah. GHSP  menggunakan  bumi  sebagai  sumber kalor  (selama  musim  dingin)  atau  sebagai penyerap  kalor  (selama  musim  panas). Desain  ini  mengambil  keuntungan  dari  suhu konstan yang ada di tanah untuk meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya operasional  dari  sistem  pemanasan  dan pendinginan.
Keuntungan  terbesar  dari  GSHP  yaitu adalah performa yang lebih baik dibandingkan  dengan sistem tradisional karena  teknologi  ini  mengambil  keuntungan dari  temperatur  yang  lebih  stabil  sepanjang tahun,  sehingga  coefficient  of  performance (COP) meningkat, sedangkan biaya operasional
dari pemanasan
dan pendinginan,  berkurang. (5) Sistem  GSHP diklasifikan sebagai berikut :
(1)    Sistem  Terbuka  :  air  tanah  sebagai penukar kalor
(2)  Sistem  Tertutup  :  Jika  terdapat penukar  kalor  bawah  tanah,  dan  air tanah tidak sebagai penukar kalor.
Gambar 1. Sistem pertukaran kalor Direct Exchange pipa terpasang vertical (8)

## Gambar 2. Sistem pertukaran kalor Direct
Exchange pipa terpasang horisontal (8)
Sistem  pertukaran  langsung  (direct exchange)  adalah  sistem  tipe  pendingin  dan pemanas  geotermal  tertutup  pada  pipa tembaga  dimana  refrigeran  bersirkulasi.  Pipa tembaga  dipasang  pada  jalur  yang  dipasang secara  vertical atau horizontal (Gambar  1  dan 2). (8)
Pada  tahun  1838,  pengukuran  suhu dilakukan di tanah yang dimulai di Observatorium  Royal  Edinburg.  Penemuan menunjukkan suhu  berfariasi  pada kedalaman 3  meter  menjadi  sekitar  1/20  pada  suhu permukaan,  dan  pada  kedalaman  8  meter temperature  bervariasi  1/400  dari  suhu permukaan (Gambar 3). (17)
Gambar 3. Hubungan antara kedalaman dan temperature (17)
Simulasi  pemodelan  sistem  tata  udara dengan  sistem  pompa  kalor  geotermal  untuk gedung  tempat  tinggal  telah  dilakukan  oleh Silvia  Cocchi,  Sonia  Castellucci  dan  Andrea Tucci.  Simulasi  sistem  menunjukkan  bahwa periode  5  tahun  merupakan  hasil  terbaik sebagai penukar kalor adalah 14 penukar kalor disusun  seri  dengan  jarak  10  meter  dan panjang 100 m. Hasilnya menunjukkan bahwa
sistem bekerja dengan baik karena :
(1)   Temperature  di  dalam  apartemen dipastikan kondisi nyaman
(2)   Tanah  tidak  menjadi  subjek  over eksploitasi
(3)  Efisiensi  pompa  kalor  tinggi  (Cocci, S., et al, 2013) Gaffar G.Momin (2013) telah melakukan penyelidikan secara eksperimental  tentang  sistem  tata  udara dengan  geotermal.  Pada  eksperimen  ini diatur  dengan  sistem  tertutup.  Sehingga harus ada supply refrigerant (air) secara terus menerus. Untuk tujuan ini digunakan penampungan,  dalam  demonstrasi  peneliti menggunakan  ember  dengan  keluaran  pada bagian  bawah.  Keluaran  ini  terhubung dengan pompa mono-block. Pompa mensirkulasi  air  pada  koil  geotermal,  dimana kalor  ditukar  antara  air  dan  bumi. (14) Secara lengkap, blok diagram pendinginan geotermal dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Blok diagram penukar kalor langsung (14)
Refrigeran  yang  digunakan  pada  eksperimen ini adalah air. Berikut ini adalah sifat termal air (Tabel 1):
Tabel 1. Sifat termal air (14)
Tabel  2.  Hasil  pendinginan  geotermal  tanpa koil penguap (14)
Dari  penyelidikan  tersebut  dilakukan variasi  menggunakan  koil  penguap  dan  tidak menggunakan koil penguap. Sehingga didapatkan hasil seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 2 dan Tabel 3.
Sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa pengkondisi  udara  geotermal  memberikan suhu keluaran relatif konstan mendekati 25 0 C, dimana  suhu  ini  adalah  suhu  nyaman  tubuh manusia. Dengan menambahkan koil penguap pada sistem, COP sistem hampir dua kali lebih efektif. . ( 14)
Tabel  3.  Hasil  pendinginan  geotermal  dengan koil penguap (14)
Untuk perencanaan dan penerapan teknik, korelasi empiris sangat banyak manfaat praktisnya. Berikut adalah rumus-rumus empiris  yang  penting  dan  berguna,  sambil menunjukkan batasan-batasannya.
Konsep  suhu  limbak  (bulk  temperature) sangat  penting  dalam  perpindahan  kalor  yang melibatkan aliran dalam saluran tertutup (pipa). Untuk  aliran  dalam  pipa  (Gambar  3),  energi total  dapat  dinyatakan  dengan  syarat sepanjang aliran itu tetap.
= ̇ ( − ) (1)
Gambar 3. Perpindahan kalor menyeluruh (6)
Kalor yang  ditambahkan  dalam panjang  diferensial dapat  dinatakan dengan  beda  suhu-limbak  atau  dengan koefisien perpindahan kalor (6) = ̇ = ℎ(2 ) ( − ) (2)
adalah  suhu  dinding  dan adalah suhu  limbak  pada  posisi
.  Sehingga
perpindahan kalor total adalah
= ℎ ( − ) (3)
adalah luas penampang perpindahan kalor.  Oleh  karena dan dapat  berubah, maka  digunakan  suhu  rata-rata  (ave  = average).
Untuk  aliran  turbulen  berkembang penuh  (fully  developed  turbulent  flow)  dalam tabung  licin,  disarankan  Diffus  dan  Boelter menggunakan rumus :
= 0,023 , (4)
Dengan  n  =  0,4  (untuk  pemanasan), dan  n  =  (untuk  pendinginan.  Dengan memperhatikan  perubahan  viskositas  zat  gas maupun viskositas zat cair, disarankan Sieder dan Tate menggunakan rumus :
= 0,027 , / , (5)
Semua  sifat  ditentukan  pada  suhu limbak,  kecuali ditentukan  pada  suhu dinding. Persamaan (4) dan (5) berlaku untuk aliran  yang  sepenuhnya  turbulen  di  dalam tabung.  Pada  bagian  inlet  dimana  aliran belum berkembang penuh, Nusselt menyarankan rumus :
= 0,036 , /
,
(6) untuk 10 < < 400
Persamaan  (4),  (5),  (6)  memungkinkan perhitungan  sederhana,  tetapi  tidak  jarang memiliki kesalahan + 25%. Pethukhov mengambangkan  persamaan  lebih  teliti  untuk aliran yang sepenuhnya turbulen dalam tabung licin :
= ( / ) , , ( / ) /
/ (7)
Dimana  n  =  0,11  untuk > ,  n  =  0,25 untuk > dan n = 0 untuk fluks kalor tetap dan  untuk  gas.  Semua  sifat  ditentukan  pada = ( + )/2 ,  kecuali  untuk dan
. Faktor  gesek  (friction  factor)  didapat  dari Diagram  Moody  (Gambar  4),  atau  untuk tabung licin, didapatkan dari persamaan (8) = (1,82 log − 1,64) (8) Persamaan (7) berlaku untuk rentang : 0,5 < < 200  dengan ketelitian 6% 200 < Pr < 2000 dengan ketelitian 10% 10 4 < < 5x10 6
0 < / < 40
Untuk  aliran  laminar  berkembang  penuh dalam  tabung,  pada  suhu  tetap,  Hausen memberikan rumus empiris :
= 3,66 + , ( / ) , [( / ) ] / (9)
Gambar 4. Diagram Moody (13)
Untuk  perpindahan  kalor  aliran  laminar dalam  tabung,  disarankan  Sieder  dan  Tate menggunakan rumus (6) :
= 1,86 ( ) / / , (10)
Persamaan  (10)  berlaku  apabila >  10.  Perkalian  antara  angka  Reynolds  dan angka  Prandtl  yang  terdapat  dalam  koreksi untuk  aliran  laminar  disebut  dengan  angka Peclet,
= = (11)

## 5. PEMBAHASAN
Teknologi geotermal merupakan proses untuk  menyalurkan  panas  ataupun  dingin  ke dalam  gedung.  Pompa  kalor  geotermal  atau pompa  kalor  sumber  tanah  /  Geothermal Source  Heat  Pump  (GHSP)  adalah  sistem pemanasan dan/atau pendinginan yang memompa  kalor  dari  atau  menuju  tanah maupun  air  tanah.  Selain  COP  dari  sistem geotermal  lebih  besar  daripada  sistem  HVAC
dengan  media  udara,  keuntungan  lainnya adalah biaya operasional lebih kecil.
Berdasar
pengukuran
suhu di Observatorium  Royal  Edinburg  yang  terlihat dari  Gambar  3,  diketahui  bahwa  pada kedalaman 3 meter, rentang suhu sudah mulai mengerucut  (lebih  kecil), kemudian  lebih  stabil lagi ketika lebih dalam dari 9 meter.
Sistem geotermal dengan sistem pertukaran  langsung  (direct  exchange),  tanpa adanya  secondary  refrigerant  seperti  yang telah  dicontohkan  oleh  Gaffar  G.Momin (Gambar  4),  berhasil  menurunkan  suhu ruangan yang hasilnya dapat ditunjukkan pada Tabel  2  dan  Tabel  3.  Gaffar  menggunakan  air sebagai  refrigeran  pada  sistemnya,  dengan penambahan  koil  penguap  sebagai  elemen penunjang. Air sebagai refrigeran yang bekerja dengan suhu dari 0 0 C s.d. 100 0 C, bisa menjadi refrigeran  yang  sangat  baik  karena  memiliki sifat  termal  air  seperti  yang  ditunjukkan  pada Tabel 1.
Dalam perencanaan dan penerapan teknik,  khususnya  sistem  pertukaran  langsung geotermal, dapat dilakukan dengan pendekatan  rumus-rumus  empiris  yang  telah tersedia.  Sehingga  laju  perpindahan  kalor dengan  syarat  pipa  memiliki  diameter  yang sama dari ujung awal sampai ujung akhir, suhu lingkungan keadaan tetap, maka laju perpindahan  kalor  dapat  diketahui  dengan persamaan (2) dan persamaan (3).
Air  yang  mengalir  pada  pipa  tembaga mampu  mentransfer  kalor  dari  dingin  (air tanah) ke panas (lingkungan) dengan karakteristik  panjang  pipa,  diameter  pipa  yang bervariasi,  dan  kecepatan  alir  yang  bervariasi akan  memiliki  kemampuan  pemindahan  kalor yang  bervariasi  pula.  Hal  ini  dapat  diketahui dari persamaan (4), s.d. (11).

## 6. KESIMPULAN
Setelah semua studi literature yang telah dilakukan, didapatkan kesimpulan:
1) Sistem pertukaran langsung (Direct Exchange)  geotermal  dapat  dilakukan dengan menggunakan air sebagai refrigeran.
2) Laju perpindahan kalor pada pipa dengan fluida  air,  dipengaruhi  oleh  dimensi  pipa dan suhu air tanah.
3) Dalam perencanaan dan penerapan teknik,  khususnya  sistem  pertukaran langsung geotermal, dapat didekati dengan rumus-rumus empiris.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Bu,  X.,  Wang,  L.,  dan  Li,  H,  2013, “Performance  Analysis  and  Working Fluid  Selection  for  Energy-Powered Organic  Rankine-vapor  Compression  Air Conditioning”,  A  Springer  Open  Journal, Vol.01,No.2, pp 1-14
2. Calabro,  G.,  dan  Fazio,  A,  2012,  “The Role  of  Geothermal  Energy  in  Cooling and  Heating  Systems”,  International Journal  of  Academic  Research in Accounting,  Finance  and  Management Sciences, Vol.02, Issue 1, pp 224-232
3. Choudhyry, A, 2013, “HVAC vs Geothermal Heat Pump-Myth and Truth”,
Open  Journal  of  Energy  Efficiency, Vol.02, 2013, pp 42-45
4. Clement,  R.,  et  al,  2012,  “Modelling  and Analyse of a Direct Expansion
Geothermal  Heat  Pump  (DX)  :  part  1 Modelling  of  Ground  Heat  Exchanger”, Notre-Dame Qouset Montreal (Quebec) : Canada
5. Cocchi,  S.,  Castellucci,  S.,  dan  Tucci, 2013,  “Modelling  of  an  Air  Conditioning
System With  Geothermal  Heat  Pump  for a Residential Building”, Hindawi
Publishing Corporation Mathematical
Problem in Engineering, Vol.2013, Article ID 781231, pp
6. Holman,  J.1994.  Perpindahan  Kalor,  alih bahasa  oleh  Jasjfi,  Edisi  keenam. Penerbit Erlangga : Jakarta
7. Jindal  T.K,  2012,  “Analysis  of  Heat
Transfer  Through  A  Duct  Of  Geothermal Cooling and Heating System”, International Journal of Emerging Technology  and  Advanced  Engineering, Vol. 2, Issue 10, Oct. 2012, pp 284-287 8. Kasich,  J.R.  dan  Taylor,  M,  2012, “Recommendations for Geothermal Heating  and  Cooling  Systems”  Ohio Water Resource Council : Ohio
9. Kelly, J. 2009. Direct Exchange : What Is It? What  its  Relation  To  Ground  Water?, Water/Energy  Sustainability  Symposium At  The    GWPC  Annual  Forum.  Geo Exchange.
10.  Kunkel, T, 2012, “Geothermal Energy As An Indigenous Alternative Energy Source In British Columbia” Journal of Ecosystems  &  Management,  Vol.13,  No 2, pp 1-16
11.  Mali,  S.N.,  More,  A.B.,  Patil,  D.S,  2014, “Application of Geothermal Cooling
Tchniques to Improve Thermal Condition of  Residential  Building”  International Journal of Civil and Structural
Engineering  Research,  Vol.2,  Issue  1, April-September 2014, pp 158-161 12.  Masheiti,  S.,  dan  Agnew,  B,  2010, “Thermodynamic  Simulation  Modelling  of Low  Temperatur  Geothermal  Source Located  in  Arid-Zone  Area  North  Africa”,
Jordan
Journal of Mechanical and  Industrial  Enginering,  Vol.4,  No.1, Jan. 2010, pp 61-68 13.  McGovern,  J,  2011,  ”Technical  Note  : Friction  Factor  Diagrams  for  Pipe  Flow”, Dublin Institute of Technology
14.  Momin, G.G,
2013, “Experimental Investigation of Geothermal Air Conditioning”, American Journal of Engineering  Research  (AJER)  Vol.02, Issue 12, pp 157-170 15.  National  Renewable  Energy  Laboratory (NREL),  2011,  “Policymakers  Guidebook for  Geothermal  Heating  and  Cooling”, NREL/BR-6A20-49477  Revised  February
2011
16.  Thomas  H.,  et  al.  2007.  Geothermal Central System. ASHRAE Journal
17.  http://www.geothermie.de/wissenswelt/arc hiv/englisch/description-of-ground-source- types-for-the-heat-pump.html (diakses tanggal 20 maret 2015)