Bayangkan
pada saat anda berjalan di siang hari, di jalan-jalan kota besar.
Bayangkan matahari bersinar terik, membuat anda berkeringat kepanasan.
Kemudian anda berjalan memasuki suatu supermarket atau toko, hal apa
yang pertama kali anda rasakan? Pada umumnya anda akan merasakan bahwa
udara panas di luar akan berubah seketika menjadi udara sejuk di dalam
ruangan. Setiap kali anda mengalami hal ini, anda sedang menikmati suatu
sistem teknologi modern yang dikenal sebagai
air conditioning.
Air conditioning adalah sistem pengaturan suhu dan kelembaban untuk
kenyamanan thermal manusia. Penggunaan sistem air conditioning yang
semakin meningkat di berbagai pertokoan, kantor-kantor, kendaraan
pribadi, gedung sekolah dan kampus menjadi hal yang biasa dalam
kehidupan kita sehari-hari. Tren perkembangan penggunaan sistem air
conditioning menunjukkan perkembangan yang sangat pesat di seluruh
dunia.
Sayangnya, konsumsi energi listrik pada sistem air conditioning
konvensional relatif sangat tinggi. Konsumsi energi listrik yang begitu
besar menuntut daya listrik yang besar pula. Mengingat bahwa listrik
pada umumnya masih dihasilkan oleh bahan bakar fosil, penggunaan air
conditioning secara tidak langsung juga berkontribusi secara signifikan
terhadap emisi gas rumah kaca. Emisi gas rumah kaca menyebabkan
peningkatan efek pemanasan global. Karena suhu lingkungan makin panas,
makin banyak industri dan rumah tangga yang menggunakan perangkat AC dan
menyebabkan emisi gas rumah kaca yang semakin banyak. Hal ini membuat
siklus emisi dan pemborosan energi yang tiada habisnya.
Mengingat bahwa menghambat laju
penggunaan sistem air conditioning adalah hal yang nyaris mustahil,
diperlukan solusi ramah lingkungan untuk sebuah sistem air conditioning
baik dari segi proses maupun dari sumber energi yang digunakan. Solusi
untuk masa depan untuk pemenuhan energi yang berkelanjutan memerlukan
sebuah sistem yang menggunakan energi terbarukan dan sekaligus ramah
lingkungan.
Salah satu sistem yang memiliki prospek
kedepan dalam hal air conditioning dengan energi terbarukan adalah
sistem solar thermal cooling, pendinginan ruangan dengan menggunakan
panas matahari. Menghasilkan udara yang dingin dengan menggunakan panas
matahari sekilas tampak konyol. Pada umumnya matahari dikenal selama
berabad-abad sebagai sumber panas. Namun dengan menggunakan teknologi
modern, ada beberapa proses thermal yang dapat menggunakan energi panas
matahari untuk menggerakkan suatu proses pendinginan.
Salah satu proses thermal yang dapat
digunakan untuk menggerakkan proses pendinginan adalah suatu proses
refrigerasi yang dikenal sebagai absorption chilling. Secara umum, suatu
sistem refrigerasi bertugas untuk memindahkan energi panas dari suatu
ruangan tertutup ke lingkungan, agar suhunya lebih rendah dari suhu
lingkungan.
Berikutnya akan dijelaskan tentang:
- Prinsip Umum Sistem Refrigerasi Modern
- Perbedaan Proses Refrigerasi Konvensional dengan Sistem Solar Thermal Cooling
- Keunggulan Utama Sistem Solar Thermal Cooling
Ket: Bagian 1 dan 2
merupakan penjelasan teknis dari sistem pendingin. Jika pembaca tidak
tertarik dengan detail teknis silahkan langsung membaca bagian 3.
1. Prinsip Umum Sistem Refrigerasi
Tentu saja secara alami energi panas
hanya dapat berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu
rendah. Untuk terus menerus memindahkan energi panas dari ruangan yang
dingin ke lingkungan yang lebih panas diperlukan suatu sistem
refrigerasi.
Secara sederhana dapat dikatakan bahwa
sistem refrigerasi harus memiliki “bagian dingin” dan “bagian panas”.
Agar ruangan menjadi lebih dingin, energi panas harus diserap dari dalam
ruangan oleh “bagian dingin” sistem refrigerasi dan dibuang melalui
“bagian panas” sistem refrigerasi. Tentu saja sesuai hukum ke-2
thermodinamika, tidak mungkin suatu siklus sistem apapun dapat bekerja
secara kontinu memindahkan energi panas dari “bagian dingin” ke “bagian
panas” tanpa memerlukan input energi dari luar. Pada penggunaan air
conditioning, umumnya input energi ini berupa energi listrik yang
digunakan untuk menggerakkan kompresor mekanik. Lalu bagaimana sebuah
sistem refrigerasi modern bekerja?
Sistem refrigerasi modern memanfaatkan
sifat cairan yang dapat menyerap kuantitas panas yang besar pada saat
penguapan (evaporasi) dan melepaskan kuantitas panas yang besar pada
saat pengembunan (kondensasi). Baik evaporasi dan kondensasi dapat
terjadi pada suhu tertentu yang dikenal sebagai titik didih atau titik
embun. Nilai titik didih atau titik embun ditentukan oleh tekanan
fluida. Pada tekanan yang tinggi, titik didih akan menjadi lebih tinggi
dan pada tekanan yang lebih rendah, titik didih akan menjadi lebih
rendah.
Jika kita turunkan tekanan suatu fluida
sehingga suhu didihnya menjadi lebih rendah daripada suhu ruangan, maka
fluida tersebut akan mendidih dan menguap (evaporasi). Untuk berubah
fase dari cairan menjadi gas, fluida memerlukan energi panas. Energi
panas ini akan diambil oleh fluida dari ruangan sehingga ruangan akan
menjadi dingin dan panas digunakan oleh fluida untuk berubah wujud
menjadi fase gas. Komponen yang mengakibatkan evaporasi dikenal sebagai
evaporator.
Setelah fluida menyerap aliran kalor
dari ruangan dan berubah menjadi gas, energi panas yang berhasil diserap
harus dibuang ke lingkungan luar. Akan tetapi tekanan fluida masih
rendah, jika diekspos langsung ke “bagian panas” dari sistem, fluida ini
malah akan menyerap lebih banyak panas karena titik didih masih lebih
rendah daripada suhu lingkungan. Agar energi panas dapat dibuang, fluida
dalam bentuk gas ini harus memiliki titik didih yang lebih tinggi
daripada lingkungan luar. Supaya titik didih lebih tinggi, tekanan
fluida harus dinaikkan. Komponen yang berfungsi untuk menaikkan tekanan
fluida dikenal sebagai kompresor. Setelah melalui kompresor, tekanan
fluida akan menjadi lebih tinggi.
Setelah melalui kompresor, fluida akan
memiliki tekanan dan titik didih yang lebih tinggi dari lingkungan.
Karena titik didih fluida lebih tinggi dari lingkungan, proses kebalikan
dari apa yang terjadi di evaporator terjadi. Fluida gas akan berubah
wujud menjadi cair (kondensasi) dan membuang aliran energi panas ke
lingkungan. Agar siklus lengkap, supaya fluida dapat dialirkan ke
evaporator lagi tekanan fluida harus diturunkan oleh alat yang dikenal
sebagai expansion valves.
2. Perbedaan Proses Refrigerasi Konvensional dengan Sistem Solar Thermal Cooling
Lalu dimanakah letak perbedaan antara
sistem refrigerasi dengan listrik biasa dan dengan panas matahari? Pada
prinsipnya tidak ada perbedaan kecuali pada bagaimana fluida dapat
dinaikkan titik didihnya sehingga dapat mengembun (kondensasi) pada
kondenser. Pada sistem biasa yang menggunakan input listrik, titik didih
ini dicapai dengan menggunakan kompresi mekanik. Pada sistem pendingin
yang menggunakan energi matahari, titik didih ini dicapai dengan
menggunakan “kompresi thermal”. Bandingkan gambar siklus di bawah ini
dengan diagram skema pendinginam konvensional pada gambar sebelumnya.
Bagaimanakah kompresi thermal bekerja?
Kompresi thermal bekerja dengan menggunakan kombinasi generator,
absorber, pompa dan heat exchanger untuk menggantikan kerja kompresor.
Fluida yang praktis untuk digunakan adalah campuran air dengan LiBr.
Fungsi dari penggunaan larutan LiBr adalah untuk menaikkan titik didih
dari air, namun menurunkan tekanan uap saturasi dari air.
Fluida bersuhu dan tekanan rendah
memasuki “bagian dingin” evaporator dan menguap dengan menyerap energi
panas dari lingkungan. Setelah melalui evaporator, uap fluida bersuhu
dan tekanan rendah memasuki absorber yang memiliki larutan yang rendah
kadar airnya. Larutan ini menyerap refrigerant dan bertambah kadar
airnya. Proses penyerapan ini bersifat eksothermik sehingga energi panas
dibuang ke lingkungan pada proses ini. Larutan yang kadar airnya tinggi
dipompa sehingga larutan bergerak memasuki generator. Pada generator,
energi di supply dengan menggunakan energi panas matahari, sehingga uap
air terbentuk pada tekanan yang tinggi. Uap bertekanan tinggi ini
diembunkan di kondenser sehingga melepas energi panas ke lingkungan. air
yang telah berkondensasi diturunkan tekanannya menggunakan expansion
valves lalu dikembalikan ke evaporator dan begitu siklus terus
berlanjut. Pada proses ini, input energi panas matahari pada generator
menggantikan input energi listrik pada kompresor. Di sini digunakan
pompa juga untuk mengalirkan fluida namun dayanya jauh lebih kecil
daripada daya kompressor (dapat diabaikan). Penyerapan panas terjadi
pada evaporator, sama dengan sistem konvensional dan pembuangan panas
terjadi pada absorber dan kondenser. Dengan menggunakan sistem yang
dikenal sebagai absorption chilling ini, energi listrik yang mahal dapat
digantikan oleh panas matahari menggunakan proses kompresi. Jika panas
matahari sedang tidak mencukupi dapat di backup juga dengan menggunakan
pemanas gas.
3. Keunggulan Sistem Pendingin Tenaga Matahari
Keunggulan penggunaan energi matahari
pada proses air conditioning adalah pada kesesuaian kronologis antara
waktu supply (penyediaan energi) dan pada waktu demand (permintaan
energi) yang terjadi pada saat yang bersamaan. Karena sumber panas utama
adalah matahari, hari yang sangat panas umumnya memiliki kebutuhan
pendinginan yang besar namun memiliki input energi matahari yang besar
sebagai kompensasi. Begitu juga pada saat matahari sedang lemah
pancarannya maka kebutuhan pendinginan umumnya menjadi kecil juga.
Karena waktu supply dan demand yang hampir bersamaan maka tidak
dibutuhkan tangki penyimpanan thermal yang terlalu besar untuk mengatasi
pengaruh musim. Hal ini memberikan sistem solar cooling keuntungan
ekonomis jika kita memiliki area yang cukup luas untuk kolektor
matahari. Untuk negara dengan empat musim sistem solar cooling pun dapat
diubah menjadi solar heating pada musim dingin.
Keuntungan lingkungan dari sistem solar
cooling adalah bahwa tidak ada dampak lingkungan dari penggunaan LiBr
karena tidak menambah efek rumah kaca. Walaupun ada berbagai
permasalahan teknis dan ekonomis seperti butuhnya area kolektor yang
cukup luas atau cuaca yang tak terduga, hal ini bisa diatasi dengan
berbagai teknik. Salah satu saja dari contoh solusinya adalah dengan
menggunakan kombinasi hybrid dengan sistem sumber energi gas alam,
ditambah dengan tangki thermal storage dan sistem insulasi yang baik,
jika diperhitungkan resiko emisi, keuntungan ekonomis dan energi tetap
secara umum lebih baik jika dibandingkan dengan menggunakan sistem yang
berbasis listrik jaringan saja. Apalagi dengan makin menipisnya
persediaan bahan bakar fosil dunia, penggunaan energi matahari dan
berbagai sumber daya energi terbarukan lainnya akan memegang peranan
yang semakin penting dalam dinamika energi global.
Referensi:
