Penggunaan material berubah fasa sebagai penyimpan energi termal pada bangunan gedung
Hamdani Umar *
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Banda Aceh, 2311,1Indonesia.
* Email : hamdani@unsyiah.ac.id

## Abstrak
Konsumsi  energi  sektor  bangunan  dunia  mencapai  30%  dari  konsumsi  energi  secara  keseluruhan  dan  menyumbang sepertiga  emisi  gas  rumah  kaca  di  seluruh  dunia.  Penyimpanan  energi  termal  adalah  teknik  sederhana  dan  efektif  yang diaplikasikan pada bangunan untuk meningkatkan efisiensi energi bangunan dan diharapkan mampu mengurangi dampak lingkungan  yang  terkait  dengan  penggunaan  energi.  Penyimpanan  termal  dengan  memanfaatkan  material  berubah  fasa ( phase  change  material ,  PCM)  adalah  teknik  yang  paling  menjanjikan  karena  kemampuan  penyimpanan  energi  yang tinggi  dan  perubahan  temperatur  yang  kecil.  Kombinasi  bahan  bangunan  dan  PCM  adalah  cara  yang  efisien  untuk meningkatkan  kapasitas  penyimpanan  energi  termal  komponen  bangunan  untuk  tujuan  penyimpanan  energi  termal langsung di bangunan gedung. Pada kajian ini diberikan hasil pengujian pemanfaatan lilin lebah sebagai material berubah fasa pada beton bangunan. Hasil pengujian beton yang dilengkapi dengan lilin lebah sebagai PCM mengalami penurunan kuat beton, tetapi di sisi lain mampu menyerap dan menyimpan energi panas. Hasil analisis aplikasi pada gedung bangunan mampu menurunkan beban pendingin dalam ruangan.
Kata kunci : Material berubah fasa, energi, beton, bangunan, efisiensi

## Use of phase changed material as a thermal energy storage in buildings

## Abstrack
The energy consumption of the world building sector reaches 30% of overall energy consumption and accounts for  one  third  of  greenhouse  gas  emissions  worldwide.  Thermal  energy  storage  is  a  simple  and  effective technique  to  be  applied  to  buildings  to  improve  building  energy  efficiency,  and  is  expected  to  reduce  the environmental impacts associated with energy use. Thermal storage by utilizing phase change material (PCM) is the most promising technique because of its high energy storage capability and small temperature changes. The combination of building materials and PCM is an efficient way to increase the thermal energy storage capacity of building components for the purpose of storing thermal energy directly in buildings. In this study the results of  testing  the  use  of  beeswax  as  a  phase  change  material  in  building  concrete  are  given.  The  test  results  of concrete equipped with beeswax as PCM decreased the strength of the concrete but on the other hand it was able to absorb and store heat energy. The results of application analysis in buildings are able to reduce indoor cooling loads.
Keywords: Phase change material, energy, concrete, building, efficiency

## 1. Pendahuluan
Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa pada tahun  2016  pangsa  terbesar  konsumsi  energi  final adalah  sektor    transportasi  (43,68%)  diikuti  oleh industri (31,21%), rumah tangga (16,54%), komersial  (5,78%),  dan  lainnya  (2,8%).  Selama kurun waktu 2007-2016, sektor transportasi mengalami  pertumbuhan  terbesar  yang  mencapai 14,94%,  diikuti  sektor  rumah  tangga  (2,16%),  dan sektor komersial (1,53%)[1].
Dengan  meningkatnya  perekonomian  dan penduduk  diproyeksikan  penggunaan  energi  final  di sektor  rumah  tangga,  sektor  komersial,  dan  sektor lainnya  (pertanian,  konstruksi  dan  pertambangan) akan  terus  bertambah.  Peranan  sektor  komersial terhadap  total  kebutuhan  energi  final  diperkirakan
akan  meningkat  dari  5,78%  pada  tahun  2016 menjadi menjadi 6,4% pada tahun 2050.
Tingginya  peningkatan  kebutuhan  energi final  perlu  diantisipasi  dengan  menerapkan  upaya konservasi energi di sisi hulu yang didukung dengan penetapan kebijakan yang tepat dan dapat dilaksanakan. Pemerintah menargetkan pengurangan intensitas  energi  1%  per  tahun  sampai  tahun  2025 dengan  cara  melakukan  efisiensi  energi  di  sektor perekonomian  dan  mengurangi  konsumsi  energi final  (TFC- total  final  consumption )  sebesar  17%  di tahun 2025[2].
Sektor  komersial  terdiri  atas  perdagangan, hotel,  restoran,  keuangan,  badan  pemerintah, sekolah,  rumah  sakit,  komunikasi,  dan  lainnya. Pertumbuhan  konsumsi  energi  di  sektor  komersial pada periode 2010-2015 memiliki rata-rata pertumbuhan  sebesar  4%  per  tahun.  Pada  tahun 2015,  sektor  ini  mengkonsumsi  energi  sebesar  34,1 Juta  SBM,  atau  sekitar  3%  dari  total  konsumsi energi  final.  Sebagian  besar  (70.9%)  dikonsumsi dalam  bentuk  listrik  yang  diikuti  oleh  diesel  oil, biomasa,  gas  kota,  liquid  petroleum  gas  (LPG),  dan minyak tanah [3].
Bangunan  umumnya  dibangun  dari  bahan bangunan  konvensional  berupa:  batu-bata,  beton rangka  baja,  beton  cor,  plaster  semen  dan  insulasi untuk  mengurangi  beban  AC  di  dalam  gedung. Penggunaan material  perubahan fase, sebagai bahan yang  mampu  menyimpan  energi  laten  adalah  cara yang  efisien  untuk  mengurangi  konsumsi  energi pada bangunan [4].
Energi  panas  dapat  disimpan  dan  diambil dalam  bentuk  perubahan  energi  dalam  dari  bahan sebagai panas sensibel, panas laten, dan termo-kimia atau kombinasi di antaranya. Pada sistem penyimpan panas  sensibel,  energi  disimpan  dengan  menaikkan suhu  bahan.  Sistem  ini  memanfaatkan  kapasitas panas  dan  perubahan  suhu  bahan  selama  proses penyerapan  dan  pelepasan  panas.  Jumlah  energi yang  disimpan  oleh  sistem  tergantung  pada  panas spesifik  dari  media,  perubahan  suhu  dan  massa media yang digunakan.
Penyimpanan panas laten bekerja berdasarkan penyerapan  panas  atau  melepaskan  ketika  bahan penyimpanan  mengalami  perubahan  fasa  dari  padat menjadi  cair  atau  dari  cair  ke  gas  atau  sebaliknya [5].  Dalam  sistem  termo-kimia,  energi  yang  diserap atau dilepaskan berlangsung selama proses perubahan  ikatan  molekul  akibat  reaksi  kimia  dan proses yang berlangsung  seluruhnya reversibel.
Di antara teknik ini, penyimpanan panas laten memanfaatkan  PCM  telah  menarik  para  peneliti karena  keunggulannya  dalam  menyimpan  energi yang  tinggi  dan  perubahan  suhu  yang  kecil. Penyimpanan panas  laten dapat dicapai  melalui  fase transformasi  padat-padat,  padat-cair,  padat-gas  dan gas-cair.  Namun,  sistem  padat-cair,  lebih  unggul secara  ekonomi  menarik  untuk  digunakan  dalam sistem penyimpan energi termal.
Kombinasi  bahan bangunan dan PCM adalah cara  yang  efisien  untuk  meningkatkan  kapasitas penyimpanan energi termal pada komponen bangunan. Teknik penggabungan dengan enkapsulasi-PCM  bentuk  komposit  adalah  metode yang  paling  sederhana,  praktis,  ekonomis  dan  telah menarik  minat  banyak  peneliti  dalam  dekade terakhir[6].  Akan  tetapi,  beberapa  permasalahan masih perlu diselesaikan dalam pengembangan PCM komposit  yang  memiliki  bentuk  stabil  antara  lain penggunaan  eutetic-PCM  untuk  pengembangan komposit  belum  memberikan  hasil  yang  baik  dan terbatasnya  informasi  sifat  termofisik  dari  PCM [7,8].  Banyak  PCM  yang  diusulkan  memiliki temperatur lebur tidak pada temperatur kenyamanan termal (16-26 o C) [9,10]. Beberapa peneliti menggunakan material pendukung pembuatan komposit  adalah  material  yang  tidak  umum digunakan sebagai material bangunan [11,12].
Kajian penelitian ini adalah pemanfaatan lilin lebah  sebagai  material  berubah  fasa  pada  beton bangunan.
2. Metodologi Penelitian
2.1 Material Penyimpan Energi Termal
Penyimpan energi
panas dapat diklasifikasikan  sebagai  penyimpan  energi  dalam bentuk  panas  sensibel,  panas    laten,  dan  gabungan panas  sensibel  dengan  panas  laten.  Pada  sistem penyimpanan panas sensibel, energi disimpan akibat kenaikan temperatur dari material. Sistem memanfaatkan  kapasitas  panas  dan  perubahan temperatur  material  selama  proses  penyerapan  dan pembuangan panas.
Penyimpanan  panas  laten  memanfaatkan panas  laten  yang  terdapat  pada  material  untuk menyimpan energi panas. Panas laten adalah jumlah panas  yang  diserap  selama  perubahan  fasa  pada material tersebut dari satu fasa ke fasa yang lainnya. Ada dua jenis panas laten yang diketahui yaitu panas laten  peleburan  dan  panas  laten  penguapan.  Panas laten  peleburan  adalah  jumlah  panas  yang  diserap ketika  material  berubah  dari  fasa  padat  ke  fasa  cair atau  sebaliknya,  kemudian  panas  laten  penguapan adalah  jumlah  energi  panas  yang  diserap  ketika material  berubah  dari  fasa  cair  ke  fasa  uap  atau sebaliknya.

## 2.2 Kriteria Pemilihan Material Berubah Fasa
Transmitansi  termal  dari  struktur  bangunan memainkan  peran  penting  untuk  peningkatan terjadinya  perpindahan  panas  yang  baik.  Saat transmitansi  termal  menurun,  struktur  bangunan menjadi  lebih  resisten  terhadap  aliran  panas sehingga  kehilangan  panas  dan  penyerapan  panas melalui struktur bangunan menurun. Oleh karena itu, transmitansi  termal  memiliki  efek  signifikan  pada pengurangan  beban  termal  bangunan  serta  menjaga bangunan pada kestabilan termal. Selain transmitansi termal,  penyimpanan  panas  di  struktur  bangunan
memiliki  arti  penting  dalam  rangka  meningkatkan inersia termal bangunan.
Keunggulan  utama  dari  PCM  adalah  untuk menjaga  lingkungannya  pada  kondisi  termal  stabil dengan  menyimpan  lebih  banyak  panas  per  satuan volume  dari  bahan  konvensional  lain.  Ketika  suhu meningkatkan  ikatan  kimia  antara  molekul  pecah dan  bahan  mencair  dan  berubah  dari  padat  menjadi cair,  perubahan  fasa  dari  padat  ke  cair  material menyerap  panas,  sebaliknya,  ketika  suhu  turun  di bawah  titik  leleh,  material  membeku  dan  berubah dari fasa cair ke padat, selama perubahan fasa panas yang dilepaskan.
Dalam  rangka  mendapatkan  kinerja  terbaik pemakaian  PCM  pada  struktur  bangunan,  beberapa sifat  fisik,  kinetik,  dan  kimia  harus  dimiliki  oleh PCM adalah [13,14];
Sifat termal :
- temperatur lebur sesuai dengan suhu ruangan yang diinginkan
- entalpi panas laten yanggi tinggi per volume untuk menyerap panas sebanyak mungkin.
- kapasitas  panas  spesifik  yang  tinggi  untuk menyimpan panas sensibel tambahan
- konduktivitas  termal  tinggi  di  fasa  padat  dan  cair untuk  meningkatkan  perpindahan  panas  saat penyerapan  panas  selama  mencair  dan  ekstraksi panas pada pembekuan.
Sifat fisik:
- perubahan  volume  yang  kecil  selama  perubahan fasa untuk interaksi baik dengan bahan bangunan
- Tidak ada fasa pemisahan
Sifat kinetik dan kimia:
- tidak ada pendinginan lanjut
- tidak ada degradasi setelah siklus pembekuan dan pelelehan
- tidak beracun, tidak korosif dan tidak mudah terbakar
Cabeza dkk [15] melakukan tabulasi berbagai material  berubaha  fasa  yang  dapat  digunakan  pada bangunan baik sistem pasif maupun aktif, sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 2.
Barrenechea, dkk  [16], melakukan pendataan terbaru  material  berubah  fasa  yang  dapat  digunakan pada  bangunan,  yaitu:  untuk  aplikasi  pendinginan bangunan  menggunakan  material  berubah  fasa  yang emiliki  temperatur  leleh  di  bawah  21 o C,  sepert ditunjukkan dalam Gambar 3.
Sedangkan  untuk  PCM  dengan  temperatur leleh  20 o C  sampai  30 o C  untuk  aplikasi  pada bangunan  menggunakan  sistem  pasif  ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 2. Material berubah fasa untuk pemakaian pada bangunan(15)
Gambar 3. PCM untuk aplikasi pendinginan (temperatur leleh 0-21 o C) (16)
Gambar 4. PCM untuk aplikasi pendinginan (temperatur leleh 20 o C-30 o C) [16]
Sebagai  bahan  penyimpanan  panas  dalam bangunan, PCM harus memiliki karakteristik termo- fisik,  kinetik,  kimia,  teknis,  dan  ekonomi  tertentu yang  diinginkan,  tetapi  harus  dicatat  bahwa  hampir tidak ada PCM yang dapat memenuhi semua kriteria yang diinginkan[17].
Dalam  aplikasi  praktis,  sifat  termo-fisik seperti  suhu  leleh,  panas  laten  fusi,  konduktivitas termal,  dan  densitas  padat  dan  cair  adalah  sebelum faktor  yang  sangat  penting  dipertimbangkan. Pengukuran  sifat-sifat  tambahan  perlu  dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat yang kurang sesuai dari bahan  yang  dipilih,  misalnya,  adanya  sifat  nukleasi untuk menghindari pendinginan super dan konduktivitas termal yang rendah yang membutuhkan  peralatan  tambahan  seperti  sirip  atau grafit  untuk  meningkatkan  konduktivitas  termal PCM.

## 2.3 Pengujian Sifat Termofisik Material Berubah Fasa.

## 2.3.1 Differential Scanning Calorimetry (DSC)
DSC  bekerja  berdasarkan  temperatur  dari sample dibandingkan  dengan  temperatur  material referensi  yang  memiliki  sifat  inert.  Temperatur sample dan referensi akan sama apabila tidak terjadi perubahan,  tetapi  pada  saat  terjadinya  beberapa peristiwa termal, seperti pelelehan, dekomposisi atau perubahan  struktur  kristal  pada  sample,  temperatur dari  sample  dapat  berada  di  bawah  (apabila perubahannya  bersifat  endotermik)  ataupun  di  atas (apabila  perubahan  bersifat  eksotermik)  temperatur referen.  Penggunaan  sample  dan  referen  secara bersamaan diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5 . Metode pengekuran dengan DSC (18)
Sampel dan referen ditempatkan bersebelahan dalam heating  block yang  dipanaskan  ataupun didinginkan pada laju konstan. Perubahan temperatur  diukur  menggunakan  termokopel.  Pada saat sampel dan referen berada pada temperatur yang sama,  beda  temperatur  sampel  dan  referensi  akan sama  dengan  nol.  Pada  saat  suatu  peristiwa  termal berlangsung  pada  sampel  maka  akan  terjadi perbedaan temperatur sebesar ΔT.
Ukuran  sampel  biasanya  <  15  miligram, sehingga  mengurangi  timbulnya  gradien  termal dalam  sampel  yang  dapat  mengurangi  sensitivitas dan  akurasi.  Laju  pemanasan  dan  pendinginan biasanya  berada  pada  range  1-  50 o C/menit.  Pada penggunaan laju yang lebih lambat, sensitivitas akan berkurang  karena  ΔT  bagi  peristiwa  termal  tertentu akan  menurun  dengan  menurunnya  laju  pemanasan [18].

## 2.3.2 T-History Method (THM)
Keterbatasan  DSC  secara  akurat  menentukan sifat  termofisik  PCM,  dengan  penggunaan  massa sampel  yang  optimal  hanya  5  mg  memperlihatkan tidak  mewakili  massa  dalam  kisaran  kilogram  yang
digunakan  dalam  aplikasi  praktis.  Disisi  lain Supercooling-subcooling dan  sifat  mencair  yang bergantung  pada  jumlah  PCM  dapat  bervariasi secara  substansial  dengan  perubahan  massa  sampel PCM dari mg ke kilogram.
T-History Methode pertama kali dikembangkan  oleh  Yinping  et  al.  pada  tahun  1999 [19]. Metode ini memungkinkan untuk mendapatkan titik  lebur,  panas  laten,  tingkat subcooling , konduktivitas  termal  dan  panas  spesifik  beberapa sampel PCM secara bersamaan.
Jika tabung yang berisi cairan PCM memiliki temperatur yang seragam dan sama dengan T 0 (T 0 > T m ,  T m adalah  temperatur  peleburan  pada  PCM), selanjutnya  diletakkan  pada  temperatur  lingkungan T ∞,a (tergantung  dengan  waktu)  sehingga  akan membentuk  kurva  temperatur  terhadap  waktu  pada PCM yang disebut dengan kurva T-History. Gambar 6,  menunjukkan  rangkaian  peralatan  pengujian  T- History
Gambar  6. Rangkaian  peralatan  pengujian  T- History
2.4  Pemakaian  Material  Berubah  Fasa  pada Bangunan.
2.4.1 Metode Penggabungan PCM
PCM  dapat  dimanfaatkan  baik  secara  pasif maupun  aktif  dalam  bangunan.  Dalam  kedua  kasus PCM  dimasukkan  ke  dalam  amplop  bangunan. Dalam  sistem  pasif  energi  matahari  pada  siang  hari dan  kesejukan  pada  malam  hari  disimpan  ke  dalam selubung  bangunan,  yang  melibatkan  PCM.  Hal  ini akan mengurangi dan menggeser puncak pemanasan dan  beban  pendinginan  puncak.  Dalam  sistem  aktif listrik  didorong  pemanasan  atau  pendinginan  sistem yang  digunakan  untuk  menyimpan  panas  dan kesejukan  kepada  PCM  dimasukkan  selubung bangunan  pada  saat off-peak ,  dengan  harga  listrik yang  relatif  rendah.  Panas  dan  kesejukan  yang disimpan  dapat  digunakan  selama  masa  puncaknya ketika  harga  listrik  yang  tinggi.  Manfaat  ekonomi dapat  dicapai  dengan  aplikasi  ini.  Dalam  hal  ini hanya sistem pasif yang diselidiki. PCM dimasukkan ke  dalam  bahan  bangunan  dengan  metode  yang berbeda  tapi  yang  paling  menjanjikan  dengan  cara penggabungan langsung, perendaman dan enkapsulasi

## 2.4.2 Penggabungan Langsung
Dalam  penggabungan  langsung,  PCM  dalam bentuk  cair  atau  bubuk  dicampur  dengan  bahan kontruksi  selama  tahap  produksi.  Hal  ini  membuat proses  lebih  ekonomis,  jenis  ini  seperti wallboards gypsum dan beton [20,21].
Feldman  et  al.  meneliti  sifat  fisiko-mekanik laboratorium  diproduksi  papan  gipsum  dengan  21- 22%  dari  butil  Jenis  stearat  PCM  dengan  metode penggabungan  langsung.  Mereka  telah  menemukan bahwa  papan  gipsum  ini  memiliki  10  kali  dari kapasitas  penyimpanan  energi  yang  lebih  besar  dari papan  gypsum  polos  dengan  perubahan  diabaikan dari sifat utamanya[22].
Bentz  et.al  meneliti  tentang  produksi  sampel beton  dengan  menggunakan  semen  sebagai  bahan matriks  untuk  PCM.  Mereka  menghasilkan  sampel beton  di  dua  metode;  pertama  dengan  mencampur semen  dan  pra  PCM  diserap  agregat  ringan  dan kedua dengan mencampur semen dan PCM saja[23].
Zhang et al. memproduksi beton penyimpanan  energi  panas  dengan  menggunakan agregat  berpori,  yang  diserap  jenis  butil  stearat PCM.  Agregat  ini  dicampur  dengan  semen  dan bahan  baku  lainnya  untuk  menghasilkan  beton penyimpanan energi panas. Mereka telah menemukan bahwa beton penyimpanan energi panas dapat  diterapkan  pada  bangunan  untuk  konservasi energi.  Kelemahan  dari  penggabungan  langsung adalah  bahwa  PCM  bisa  langsung  berinteraksi dengan  bahan  bangunan  menyebabkan  degradasi sifat  utama  dari  bahan  tersebut.  Selanjutnya,  PCM dapat  bocor  atau  mengalir  keluar  dari  bahan  dan mencemari lingkungan indoor [24].

## 2.4.3 Enkapsulasi
Metode  enkapsulasi  dikembangkan  dengan tujuan mengatasi kekurangan, seperti kebocoran dan efek  samping  terhadap  sifat  material  PCM  yang timbul  dari  proses  penggabungan  dan  pencelupan langsung.  Dengan  metode  ini,  PCM  digabungkan dengan  bahan  bangunan  setelah  PCM  dikapsulkan dalam wadah, sehingga tidak terjadi kontak langsung dengan  bahan  bangunan.  Hal  ini  untuk  mencegah degradasi  bahan  bangunan  yang  disebabkan  oleh PCM.  Ada  dua  cara  metode  enkapsulasi  yaitu makro-encapsulasi dan mikro-enkapsulasi.
Metode makro-enkapsulasi, PCM yang dikemas  dalam  wadah  khusus  seperti  tabung  atau bola  kemudian  dimasukkan  ke  dalam  bahan bangunan.  Enkapsulasi  mencegah  PCM  dari  bocor luar  dan  dari  kontak  langsung  dengan  bahan bangunan.  Ada  tiga  faktor  utama  dalam  enkapsulasi PCM adalah[25]: a. Bagaimana  untuk  mengakomodasi  ekspansi volumetrik PCM pada saat mencair.
b. Tekanan  yang  timbul  akibat  karena  ekspansi udara  pada  suhu  yang  tinggi  dan  selama  siklus perubahan fasa padat-cair atau sebaiknya.
c. Reaksi dari PCM cair dengan bahan enkapsulasi.
Alam[25],  mengusulkan  metode  makro- enkapsulasi  PCM  sebagaimana  diperlihatkan  dalam Gambar 7.
Gambar 7. Model enkapsulasi PCM
Sebuah  lapisan  selektif  permeabel  yang memungkinkan  udara  panas  berdifusi  keluar  tapi tidak PCM cair akan mengatasi masalah peningkatan tekanan udara akibat perubahan volume kapsul pada siklus  pemanasan.  Pada  saat  PCM  membeku  dari luar-dalam (selama proses pendinginan)  maka   akan terbentuknya  lapisan  lapisan  padat  yang  mampu mencegah  peningkatan  tekanan  udara.  Sebuah lapisan  fleksibel  akan  mengakomodasi  ekspansi volumetrik  besar  dari  PCM  pada  saat  proses peleburan,  lapisan  polimer  yang  fleksibel  dan permeabel  dapat  digunakan  untuk  mengatasi kebocoran dan perubahan volumetrik yang besar.

## 2.5 Analisis Pemakaian Energi pada Bangunan
Pemodelan  PCM  sangat  rumit  karena kompleksitas  dari  fasa  transisi.  Penyimpanan  dan pelepasan panas laten dan perubahan sifat termofisik material  bahan  selama  perubahan  fasa,  serta  tidak konstannya  suhu  pada  saat  perubahan fasa memberikan  kontribusi  terhadap  kompleksitas  ini. Ada  berbagai  program  simulasi  termal  dapat  model PCM. Beberapa dari mereka memiliki modul khusus yang dirancang untuk tujuan pemodelan PCM.
Energi  Plus perangkat  lunak  analisis  energi dan simulasi termal pada bangunan yang menghitung kebutuhan energi pada proses pemanasan dan pendinginan bangunan yang diperlukan  untuk  mempertahankan  kondisi  termal tertentu. Sebuah representasi grafis dari keseimbangan panas untuk bagian dinding bangunan sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 8.
Gambar  8. Skema  perpindahan  panas  pada komposit dinding bangunan
Keseimbangan panas pada dinding dapat dinyatakan dalam bentuk:
(1)
dimana, q”cond,o,j,t = Fluk panas konduksi menuju dinding (W/m 2 ) q”sol,o,j,t =  Fluk  panas  energi  yang  diserap (W/m 2 ) q”conv,o,j,t =  Fluk  panas  konveksi  (W/m 2 ) q”rad,o,j,t =  Fluk  panas  radiasi  termal  masuk (W/m 2 ).
Penyelesaian  permasalahan  perubahan  fasa memiliki  tingkatan  kesulitan  yang  tinggi  karena adanya  perubahan  fasa  padat  dan  cair  yang  terjadi secara bersamaan, perubahan fasa antar-muka padat- cair  terus  bergerak  dan  posisinya  tidak  diketahui. Persamaan  energi  yang  dibutuhkan  untuk  ditulis secara  terpisah  untuk  kedua  fase  dan  suhu  mereka harus  dibarengi  di  fasa  antar-muka.  Untuk  itu diperlukan persamaan untuk menentukan lokasi fasa antar-muka. Metode entalpi adalah pendekatan  yang mengatasi  kesulitan-kesulitan  ini.  Metode  entalpi pada persamaan energi dapat ditulis sebagai berikut :
(2)
atau dalam bentuk
(3)
Dimana : k = konduktivitas termal bahan,
T = Temperatur,
ρ = densitas bahan,
∂H(T)/∂t  =  perubahan  entalpi  terhadap
waktu.
2.6    Pemanfaatan  Lilin  Lebah  sebagai  Material

## Penyiman Termal Pada Beton
Benda uji yang digunakan adalah kubus beton dengan ukuran 15x15x15 cm. Jumlah total kubus 60 buah,  masing-masing  15  buah  untuk  kubus  beton normal,  15  buah  untuk  kubus  beton  dengan  bahan campuran  dengan beeswax ,  kemudian  benda  uji tersebut  dipanaskan dalam dapur dengan temperatur
yang bervariasi, yaitu  30 menit, 60 menit, 90 menit, dan  120  menit.  Campuran  adukan  beton  dengan menggunakan SK.SNI.T-15-1990-03
Perencanaan  campuran  beton  dimaksudkan untuk  mengetahui  komposisi  atau  proporsi  bahan- bahan  penyusun  beton.  Proporsi  bahan-bahan penyusun  beton  ini  ditentukan  melalui  sebuah perancangan  beton  ( mix  design ).  Hal  ini  dilakukan agar  proporsi  campuran  dapat  memenuhi  syarat teknis secara ekonomis. Dalam menentukan proporsi campuran  dalam  penelitian  ini  digunakan  metode Departemen  Pekerjaan  Umum  yang  berdasarkan pada SK SNI T-15-1990-03.
Metode  pencampuran  beton  yang  digunakan pada  penelitian  ini  adalah  dengan  SK.SNI.T-15- 1990-03.  Adapun  perencanaan  kuat  tekan  beton yang direncanakan yaitu 40 Mpa.

## 2.7 Pengujian Sifat Mekanik
Pengujian  sifat  mekanik  beton-PCM  yang telah  disiapkan  berupa  pengujian  kuat  tekan. Pengujian  kuat  tekan  dilakukan  pada  enam  puluh spesimen beton-PCM bentuk kubus ukuran 150x150x150  mm.  Spsesimen  disipakan  dengan umur beton-PCM 7 hari dan 28  hari. Uji kuat tekan juga  dilakukan  pada  suhu  spesimen  di  sekitar  suhu peleburan PCM 45 °C.

## 2.8 Pengujian Termal
Kemampuan  beton-PCM  dalam  menyerap panas ditentukan dengan mengukur temperatur udara dalam  ruang  uji.  Pengukuran  temperatur  dilakukan menggunakan  termokopel  yang  dihubungkan  secara langsung  dengan  data  akusisi.  Pengujian  dilakukan dengan memanaskan sampel uji selama 2 (dua) jam, kemudian  didinginkan  secara  almiah  sampai temperatur sampel mencapai temperatur lingkungan.
Perangkat  uji  kinerja  termal  beton-PCM dilakukan dalam ruangan yang dirancang sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 9. Sampel beton PCM berukuran 200 mm x 200 mm x 50 mm, diletakkan pada bagian atas ruang uji berukuran 200 mm  x  200  mm  x  200  mm,  dengan  dinding  terbuat dari  kayu.  Untuk  sumber  panas  digunakan  lampu daya 250 W, ditempatkan pada jarak 320 mm diatas sampel.  Untuk  menjaga  suhu  yang  seragam  dan stabil  digunakan penutup berongga dari bahan PVC yang  dilapisi  dengan  kertas  transparan  sehingga sumber panas dari lampu dapat mencapai sampel.
Gambar  9. Perangkat  pengujian  kinerja  termal Beton-PCM

## 2.9 Analisis Energi pada Bangunan
Simulasi  karakteristik  penggunaan  energi pada bangunan dengan material bangunan mengandung  PCM  dilakukan  pada  bangunan sebagaimana  ditunjukkan  dalam  Gambar  10.  Luas bangunan adalah 400 m 2 , yang dibagi dalam 3 Zona, dengan luas lantai masing-masing:  Zona-1 =200 m 2 , Zona-2  =  110  m 2 ,  dan  Zona-3  =  90  m 2 .  Untuk memperoleh  perbandingan  pengaruh  penggunaan PCM  pada  material  bangunan,  simulasi  juga dilakukan  pada  bangunan  yang  tidak  menggunakan PCM.
Gambar 10 Ilustrasi gedung bangunan
Bagian  bangunan  yang  menggunakan  PCM yaitu  atap  dan  dinding.  Bahan  untuk  kontruksi  atap terdiri  dari,  palster,  beton  cor  dan  lembar  komposit PCM.  Sedangkan  untuk  dinding  menggunakan bahan plaster, batubata dan komposit PCM.
Analisis dilakukan untuk menghitung temperatur permukaan dinding dan atap, perhitungan beban  pendingin  ruangan.  Analisis  temperatur dianalis pada  bulan  yang  memiliki  temperatur udara luar  tertinggi,  sedangkan  analisis  beban  pendingin dilakukan untuk setiap bulan selama  satu tahun.
Pada  analisis  ini  juga  dilakukan  optimalisasi untuk memperoleh informasi pengaruh konduktivitas termal  PCM,  ketebalan  PCM  dan  temperatur ruangan.  Hasil  analisis  ini  akan  ditunjukkan  dalam bentuk  indek  penghematan  energi  yang  dinyatakan dalam bentuk :
Dimana IES = indek energy saving , E tot,PCM =  beban  pendingin  untuk  bangunan  dengan PCM, dan E tot,nonPCM =  beban  pendingin  untuk  bangunan  tanpa PCM.
3. Hasil dan pembahasan

## 3.1 Hasil Pengujian Sifat Mekanik Beton-PCM
Penyiapan  beton  didasarkan  pada  Standar Nasional  Indonesia  (SNI),  untuk  analisis  abrasive agregat  halus  dan  kasar  berdasarkan  (SNI  03-1968- 1990) atau ASTM C.127-1993, dan desain campuran beton  berdasarkan  SNI  T-15-1990-03.  Semen  yang digunakan  adalah  semen  Portland  kualitas  terbaik, agregat  kasar  dan  agregat  halus  yang  berkualitas baik.
Dari  Gambar  11  dan  12  terlihat  bahwa penambahan  PCM  pada  beton  mengakibatkan penurunan  nilai  kuat  tekan  beton.  Hal  ini  karena PCM  yang  digunakan  bukanlah  material  yang memiliki  efek  meningkatkan  kekuatan  beton. Penurunan  kekuatan  tekan  terus  terjadi  dengan meningkatnya  campuran  PCM  dalam  beton,  serta dalam  peninjauan  usia  PCM-beton,  sedangkan pengaruh  umur  dan  temperatur  sampel  terhadap penurunan  kuat  tekan  sangat  nyata,  dimana penurunan kuat tekan mencapai 21,76% dibandingkan  beton  tanpa  PCM  untuk  spesimen  7 hari.
Gambar  11. Kuat  tekan  beton-PCM  beeswax  pada temperature 28 o C
Gambar  12. Kuat  tekan  beton-PCM  beeswax  pada temperature 45 o C

## 3.2    Hasil  Pengujian  Penyerapan  Panas  Beton- PCM
Hasil  pengujian  kemampuan  komposit  PCM menyerap  panas  sebagaimana  ditunjukkan  dalam Gambar  13.  Pengujian  ini  menggunakan  sampel berukuran 200mm  x 200mm  x 20mm. Sampel  yang
digunakan  terdiri  dari  beton  normal  (tanpa  PCM), dan beton-30% beeswax .
Gambar 13. Grafik perubahan temperatur sampel beton beeswax
Dari  gambar  terlihat,  temperatur  maksimum permukaan  dalam  beton  normal  mencapai  47,2 o C dan  temperatur  maksimum  udara  dalam  ruang  uji mencapai  41,2 o C,  diperoleh  beda  temperatur  6,0 o C. Hasil  pengujian  diperoleh  temperatur  maksimum permukaan  dalam  beton  lilin  lebah  45,6 o C  dan temperatur  maksimum  udara  dalam  ruang  uji mencapai  40.0 o C  maka  diperoleh  beda  temperatur 5,6 o C.  Berdasarkan  hasil  pengujian  tersebut  terlihat beton-lemak  sapi  lebih  baik  dalam  menyerap  panas. Hal  ini  disebabkan  energi  panas  yang  dihasilkan oleh  lampu  telah  mencapai  temperatur  leleh  dari lemak sapi.

## 3.3 Hasil Analisis Energi Bangunan
Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan data  iklim  kota  Banda  Aceh,  yang  meliputi  data radiasi  matahari, temperatur udara luar, kelembaban relative  (RH).  Gambar  14  memperlihatkan  data radiasi  matahari  dan  temperatur  rata-rata  setiap  jam pada  bulan  April.  Dari  gambar  terlihat  bahwa  1067 W/m 2 dan  temperatur  rata-rata  maksimum  adalah 29,6 o C.  Berdasarkan  data  tersebut,  simulasi  akan dilakukan pada bulan maret selama 30 hari.
5,6 o C
Gambar  14. Data  iklim  kota  Banda  Aceh  bulan April
Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan EnergyPlus yang  dilengkapi  dengan  aplikasi penyelesaian  persoalan  material  berubah  fasa.  Pada simulasi ini digunakan material berubah fasa dengan data perubahan entalpi terhadap perubahan temperatur  sebagaimana  ditunjukkan  dalam  gambar 15.
Gambar 15. Kurva entalpi-temperatur untuk PCM komposit bangunan
Hasil  perhitungan  temperatur  permukaan dinding  PCM  dan  dinding  tanpa  PCM  pada  setiap jam diberikan dalam Gambar 16.
Gambar  16. Hasil  perhitungan  temperatur  dinding pada setiap jam
Perhitungan  dilakukan  untuk  tanggal  18-20 April.  Dari  gambar  terlihat,  temperatur  permukaan dinding  PCM,  mulai  pukul  10.00  pagi  PCM menyerap panas dan mencapai temperatur maksimumnya  pada  malam  hari  dan  kemudian dilepaskan  kembali  sampai  dengan  pagi  besok  hari. Hal yang sama juga terjadi pada dinding tanpa PCM.
Akibat  adanya  sifat  PCM  yang  mengalami perubahan  fasa  selama  penyerapan  panas  pada temperatur lelehnya, maka PCM mampu menghambat kenaikan temperatur permukaan dinding.
Hasil  perhitungan  temperatur  permukaan dalam  atap  yang  dilengkapi  dengan  PCM  dan  atap tanpa PCM pada setiap jam diberikan dalam Gambar 17.
Gambar 17. Hasil perhitunagan temperatur permukaan dalam atap setiap jam
Perhitungan  dilakukan  untuk  tanggal  18-20 April.  Dari  gambar  terlihat,  temperatur  permukaan atap  PCM,  mulait  tanggal  18-20  April  berada dibawah  temperatur  atap  tanpa  PCM,  hal  ini  PCM berfungsi  dalam  menyerap  panas  yang  berasal  dari sinar  matahari.  Dari  gambar  terlihat  mulai  pukul 10.00  pagi  PCM  menyerap  panas  dan  mencapai temperatur maksimumnya pada pukul 18.00 sore dan kemudian panas tersebut dilepaskan kembali sampai dengan  pagi  besok  hari.  Hal  yang  sama  juga  terjadi pada  atap  tanpa  PCM.  Akibat  adanya  sifat  PCM yang  mengalami  perubahan  fasa  selama  penyerapan panas pada temperatur lelehnya, maka PCM mampu menghambat kenaikan temperatur permukaan atap.
Hasil  simulasi  energi  yang  dibutuhkan  untuk mempertahankan suhu ruangan dalam kisaran 24-28 o C, ditunjukkan pada Gambar 18.
Gambar  18. Hasil  perhitungan  beban  pending bangunan
Konsumsi  energi  terbesar  terjadi  pada  bulan Juli, baik untuk bangunan tanpa PCM dan bangunan
dengan  PCM.  Untuk  mendapatkan  hasil  yang optimal  penggunaaan  PCM  pada  bangunan,  pada kajian  ini  dilakukan  analisis  pengaruh  beberapa variabel  terhadap  beban  pendingin.  Adapaun variabel  tersebut  adalah  konduktivitas  termal  PCM (k pcm ),  ketebalan  PCM  (x pcm ),  dan  temperatur  dalam ruangan (T room ). Simulasi dilakukan untuk iklim kota Banda Aceh.
Hasil  simulasi  efek  konduktivitas  termal PCM  diberikan  pada  Gambar  19.  Konsumsi  energi meningkat  dengan  meningkatnya  konduktivitas termal  PCM.  Hal  ini  disebabkan  oleh  peningkatan koefisien  perpindahan  panas  keseluruhan  dinding, sehingga  meningkatkan  laju  panas  dari  luar  dinding ke  ruangan.  Hal  ini  mengakibatkan  meningkatnya beban  pendingin  untuk  mempertahankan  suhu ruangan  pada  kondisi  yang  diinginkan.  Dari  hasil perhitungan  diperoleh  konduktivitas  termal  (k=0.02 W/mK)  memberikan  beban  pendingin  yang  paling minimum.
Gambar  19 .  Pengaruh  konduktivitas  termal  PCM terhadap beban pendingin
Hasil  simulasi  ketebalan  komposit  PCM paling optimal untuk digunakan sehingga memberikan  beban  pendingin  yang  minimum ditunjukkan dalam gambar 20.  Dari gambar terlihat bahwa  dengan  peningkatan  ketebalan  PCM  beban pendingin  terus  menurun  dan  menghasilkan  kondisi optrimal pada ketebalan x=0.02 m.
Gambar  20. Hubungan  penyimpan  energi  tahunan dengan ketebalan PCM

## 4. Kesimpulan
Penggunaan  materi  perubahan  fasa  sebagai  material penyimpan  energi  termal  pada  gedung  bangunan mampu  menurunkan  pemakaian  energi  dalam gedung.  Sementara  PCM  dapat  ditambahkan  secara langsung  atau  dalam  bentuk  mikro  ke  dalam  beton. Sebagai  contoh,  hasil  pengujian  beton  yang dilengkapi  dengan  lilin  lebah  sebagai  PCM, mengalami  penurunan  kuat  beton,  tetapi  di  sisi  lain mampu  menyerap  dan  menyimpan  energi  panas. Hasil  analisis  kelayakan  awal  pemanfaatan  PCM dalam  aplikasi  pada  gedung  bangunan  mampu menurunkan  beban  pendingin  dalam  ruangan. Penelitian  lebih  lanjut  dan  pengujian  lapangan  akan sangat diperlukan untuk memperkuat bukti keuntungan  penggunana  PCM  pada  banguan gedung.

## Referensi
[1]  Ministry  Of  Energy  and  Mineral  Resources Republic of Indonesia. Handbook of Energy & Economic Statistics of Indonesia. 2017;72.
[2]  Republik  Indonesia  P.  Peraturan  Pemerintah Republik  Indonesia  Nomor  79  Tahun  2014 Tentang  Kebijakan  Energi  Nasional.  2014.  p. 36.
[3]  Direktorat  Konservasi  Energi  Kementerian Energi  dan  Sumber  Daya  Mineral.  Panduan Pengguna  Untuk  Sektor  Komersial  (Indonesia 2020 Pathway Calculator). Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral. 2014;1–15.
[4]  Li G, Zheng X. Thermal energy storage system integration  forms  for  a  sustainable  future. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews [Internet].  2016  Sep  1  [cited  2018  Mar
25];62:736–57. Available from:
https://www.sciencedirect.com/science/article/p ii/S1364032116301095?via%3Dihub
[5]  Sharma  A,  Tyagi  V  V.,  Chen  CR,  Buddhi  D. Review  on  thermal  energy  storage  with  phase change  materials  and  applications.  Renewable and Sustainable
Energy Reviews. 2009;13(2):318–45.
[6]  Memon SA. Phase  change  materials  integrated in  building  walls:  A  state  of  the  art  review. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews. 2014;31:870–906.
[7]  Sari  A,  Karaipekli  A.  Fatty  acid  esters-based composite  phase  change  materials  for  thermal energy  storage  in  buildings.  Applied  Thermal Engineering. 2012;37:208–16.
[8]  Sari  A,  Karaipekli  A.  Preparation,  thermal properties  and  thermal  reliability  of  palmitic acid/expanded  graphite  composite  as  form- stable  PCM  for  thermal  energy  storage.  Solar
Energy Materials and Solar Cells.
2009;93(5):571–6.
[9]  Wang E, Kong X, Rong X, Yao C, Yang H, Qi C. A Study on a Novel Phase Change Material Panel Based on Tetradecanol/Lauric
Acid/Expanded  Perlite/Aluminium  Powder  for Building Heat Storage. Materials.
2016;9(11):896.
[10]  Xu B, Li Z. Paraffin/diatomite composite phase change  material  incorporated  cement-based composite  for thermal  energy  storage.  Applied Energy. 2013;105:229–37.
[11]  Amin  M,  Putra  N,  Kosasih  EA,  Prawiro  E, Luanto RA, Mahlia TMI. Thermal properties of beeswax/graphene  phase  change  material  as energy  storage  for  building  applications. Applied  Thermal  Engineering.  2017;112:273– 80.
[12]  Cui  H,  Memon  SA,  Liu  R.  Development, mechanical properties and numerical simulation  of  macro  encapsulated  thermal energy storage concrete. Energy and Buildings. 2015;96:162–74.
[13]  Castell  A,  Martorell  I,  Medrano  M,  P??rez  G, Cabeza  LF.  Experimental  study  of  using  PCM in  brick  constructive  solutions  for  passive cooling. Energy and Buildings. 2010;42(4):534–40.
[14]  Baetens  R,  Jelle  BP,  Gustavsen  A.  Phase change  materials  for  building  applications:  A state-of-the-art  review.  Energy  and  Buildings. 2010;42(9):1361–8.
[15]  Cabeza LF, Castell A, Barreneche C, de Gracia A,  Fernández  AI.  Materials  used  as  PCM  in thermal energy storage in  buildings:  A review. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews [Internet].  2011  Apr  1  [cited  2018  Mar 25];15(3):1675–95. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/p ii/S1364032110003874?via%3Dihub
[16]  Barrenechea  C,  Navarro  H,  Serrano  S,  Cabeza LF,  Fernández  AI.  New  database  on  phase change  materials  for thermal  energy  storage  in buildings  to  help  PCM  selection.  Energy
Procedia [Internet]. 2014;57:2408–15. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2014.10.249
[17]  Cui  Y,  Xie  J,  Liu  J,  Pan  S.  Review  of  Phase Change Materials Integrated in Building  Walls
for  Energy  Saving.  Procedia  Engineering [Internet].  2015;121:763–70.  Available  from: http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2015.09.027
[18]  Grega Klancnik, Jozef Medved PM. Differential  thermal  analysis  (  DTA  )  and differential  scanning  calorimetry  (  DSC  )  as  a method of material investigation. Materials and Geoenvironmentent. 2010;57(1):127–42.
[19]  Yinping  Z,  Yi  J.  A  simple  method  ,  the  T  - history  method  ,  of  determining  the  heat  of fusion  ,  specific  heat  and  thermal  conductivity of phase-change materials. Measurement Science and Technology. 1999;10(3):201–5.
[20]  Mandilaras  I,  Stamatiadou  M,  Katsourinis  D, Zannis  G,  Founti  M.  Experimental  thermal characterization  of  a  Mediterranean  residential building  with  PCM  gypsum  board  walls. Building and Environment. 2013;61:93–103.
[21]  Shukla  N,  Fallahi  A,  Kosny  J.  Performance characterization  of  PCM  impregnated  gypsum board  for  building  applications.  Energy Procedia  30  (  2012  )  370  –  379  SHC. 2012;30:370–9.
[22] Feldman,  D.,  Banu,  D.,  &  Hawes,  D.  W. (1995).  Development  and  application  of organic phase change mixtures in thermal storage  gypsum  wallboard.  Solar  Energy Materials and Solar Cells, 36(2), 147–157.
[23]  Bentz,  D.  P.,  &  Turpin,  R.  (2007). Potential    applications  of  phase  change materials  in  concrete  technology. Cement and Concrete Composites , 29 (7), 527–532.
[24]  Zhang  Y,  Zhou  G,  Lin  K,  Zhang  Q,  Di  H. Application  of  latent  heat  thermal  energy storage  in  buildings:  State-of-the-art  and outlook. Building and Environment. 2007;42(6):2197–209.
[25]`Alam  TE,  Dhau  JS,  Goswami  DY,  Stefanakos E.  Macroencapsulation  and  characterization  of phase  change  materials  for  latent  heat  thermal energy  storage  systems.  Applied  Energy. 2015;154(September):92–101.