Pernahkan anda mendengar tentang pompa kalor dan bagaimana cara kerja pompa kalor?
Secara alami, energi kalor (panas) berpindah dari temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Misalnya, saat kita memegang secangkir kopi hangat, tangan kita merasakan panas dari cangkir karena kalor berpindah dari kopi ke cangkir kemudian ke tangan secara konduksi. Reseptor panas di tangan kita mengirim sinyal ke otak dan otak menerjemahkan sensasi panas yang kita rasakan.
Kalor juga dapat dipindahkan dari temperatur rendah ke temperatur tinggi, menggunakan mesin yang disebut Pompa Kalor (Heat-pump). Contoh dari pompa kalor sering kita jumpai setiap hari, yaitu pendingin ruangan (AC) dan lemari pendingin (kulkas) (lihat gambar 1).
Bagaimana cara kerja Pompa Kalor
Cara kerja pompa kalor berkerja berdasar pada prinsip siklus kompresi uap (vapor compression cycle). Siklus ini memanfaatkan refrigeran yang secara umum memiliki titik didih rendah. Pada sebuah siklus kompresi uap, refrigeran melewati siklus kompresi dan ekspansi untuk merubah fase dari cair ke uap ataupun sebaliknya. Siklus ini memerlukan kerja (power) dari luar, umumnya berupa energi listrik.
Siklus kompresi uap memerlukan dua komponen utama yaitu kompresor (compressor) dan katup ekspansi (expansion valve). Secara sederhana, siklus ini dapat dibagi menjadi empat proses. Gambar 2 mengilustrasikan siklus kompresi uap disertai dengan proses ideal siklusnya pada diagram tekanan-entalpi.
Berikut adalah siklus kompresi uap pada pompa kalor
- Proses 1-2 : Kompresi
Pada proses ini, refrigeran memasuki kompresor dalam fase uap jenuh (saturated vapor). Tekanan diberikan oleh kompresor sehingga temperatur refrigeran naik sampai diatas titik didih dan memasuki fase superheated vapor/gas.
Kompresor merupakan bagian yang paling banyak memerlukan suplai listrik. Entalpi dari refrigeran bertambah akibat proses kompresi ini. Temperatur refrigeran pada proses ini naik beberapa kali diatas temperatur udara luar.
- Proses 2-3 : Kondensasi
Pada fase ini, refrigeran melewati penukar panas (heat exchanger). Kalor yang terbawa refrigeran bertukar berpindah ke udara luar. Unit luar dilengkapi kipas untuk mendorong udara luar melewati penukar panas yang memungkinkan perpindahan kalor terjadi dari refrigeran ke udara luar. Kita bisa merasakan saat AC beroperasi, udara di dekat unit luar lebih panas, atau udara dibelakang lemari pendingin hangat saat beroperasi.
Kalor pada refrigeran berkurang dan refrigeran mengalami perubahan fase dari superheated vapor menjadi fase cair. Sementara itu temperatur dan tekanan refrigeran hampir tidak mengalami perubahan. Di fase ini, refrigeran mengalami pengurangan entalpi.
- Proses 3-4 : Ekspansi
Selanjutnya refrigeran memasuki katup ekspansi dimana tekanan diturunkan. Akibatnya, temperatur pun turun beberapa derajat di bawah titik beku air. Pada proses ini, tidak terjadi perubahan entalpi dan fase berubah dari fase cair menjadi fase transisi (cair-gas)
- Proses 4-1 : Evaporasi
Proses ini terjadi di unit dalam ruangan, dimana refrigeran dingin dilewatkan melalui coil (yang berfungsi sebagai penukar panas) dimana udara di dalam ruangan dilewatkan dan bersentuhan langsung dengan coil tersebut.
Udara yang lebih dingin keluar akibat dari perpindahan kalor dari udara ke refrigeran. Sebaliknya, refrigeran mendapatkan kalor sehingga entalpi meningkat. Penambahan kalor ini tidak disertai dengan kenaikan temperatur, melainkan fase refrigeran berubah dari fase cair-gas.
Jenis refrigeran yang umum digunakan pada pompa kalor
Pengelompokan umumnya berdasarkan properti termodinamik masing-masing refrigeran dan juga elemen kimia-nya. Refrigeran yang umum dijumpai di pasaran adalah R134a, R407, R410. Refrigeran tersebut termasuk dalam golongan Hydrofluorocarbons (HFCs) yang memiliki potensi gas rumah kaca (Green House Gas, GHG) lebih rendah daripada refrigeran konvensional dari gologan Chlorofluorocarbons (CFCs).
Apa itu Entalpi
Entalpi adalah istilah termodinamika yang menyatakan jumlah energi. Secara definisi termodinamika, Entalpi adalah jumlah dari energi internal dan usaha dari luar. Perubahan Entalpi (delta h) dari satu keadaan ke keadaan lain menunjukkan apakah suatu system kehilangan energi (misal kalor) (delta h negatif) atau mendapatkan energi (delta h positif).
Pada proses #2-#3 (lihat diagram tekanan vs entalpi pada gambar 2), kalor berpindah ke udara luar dari refrigeran, sehingga refrigeran kehilangan energi (delta h negative, arah panah ke kiri). Pada proses #4-#1, refrigeran mendapatkan kalor dari udara dalam ruangan, sehingga delta h positif (arah panah ke kanan). Begitu pula pada proses kompresi, delta h positif.
Adakah pertukaran udara dalam ruangan setelah melewati pompa kalor
Pada AC split seperti pada gambar diatas, tidak. Namun pada sistem pendingin ruangan sentral, mekanisme pertukaran udara dengan udara luar dimungkinkan dengan sistem yang lebih komplek.
Mengenai unit dalam dan luar ruangan dari pompa kalor
Unit yang biasanya dipasang di dalam ruangan (indoor unit) umumnya disebut juga dengan Fan Coil Unit (FCU). Di dalamnya terdapat perangkat elektronik yang salah satunya berfungsi untuk menerima perintah dari pengguna melalui remote control. Selain itu, komponen utama dalam indoor unit adalah penukar panas (heat exchanger) dan katup ekspansi. Unit luar (outdoor unit) dipasang di luar ruangan. Didalamnya terdapat kompresor dan penukar panas.
Bisakah pompa kalor dipakai untuk pemanas ruangan
Perangkat AC di negara empat musim memiliki dua fungsi, pemanas dan pending ruangan. Terdapat alat tambahan berupa katup untuk mengatur arah aliran refrigeran. Pada musim panas (fungsi pendingin) aliran refrigeran sebagaimana telah dijelaskan diatas. Kalor dari ruangan dipindahkan ke luar ruangan. Sedangkan pada fungsi pemanas, arah refrigeran dibalik sehingga kalor dari luar ruangan dipindahkan ke dalam ruangan.
Pada fungsi pendinginan, unit dalam ruangan berfungsi sebagai evaporator, sedangkan unit luar ruangan berfungsi sebagai konden kondensor. Sebaliknya, pada fungsi pemanas, unit dalam berfungsi sebagai kondensor dan unit luar berfungsi sebagai evaporator.
Bagaimana dengan AC pada mobil?
AC (pendingin) kabin kendaraan roda empat (mobil dll) menggunakan pompa kalor sama seperti AC ruangan biasa. Hanya saja power kompresor diambil dari tenaga mesin yang terhubung melalui sabuk (belt). Oleh karena itu pemakaian AC sudah pasti mengurangi efisiensi bahan bakar.
Lalu bagaimana dengan AC mobil di negara empat musim?
Di negara empat musim, kontrol iklim (cliamte control) kabin memerlukan pemanasan pada musim dingin. Apakah sama dengan AC di negara empat musim, dimana arah siklus refrigeran dibalik? Jawabnya: Tidak. Pemanas kabin pada kendaraan roda empat lainnya tidak menggunakan siklus kompresi uap AC. Mobil berbahan bakar fosil (bensin, solar dll) menghasilkan kalor yang terbuang melalui proses pembakaran bahan bakar pada mesin. Siklus refrigeran tersendiri dialirkan melewati mesin dan mengambil beberapa bagian kalor untuk dilewatkan ke penukar, dimana udara dingin akan mengambil kalor tersebut. Untuk itu, penggunaan pemanas kabin pada mobil berbahan bakar fosil tidak mempengaruhi efisiensi bahan bakar mobil tersebut.
Bagaimana dengan AC pada mobil listrik?
Pendingin kabin pada kendaraan listrik sama juga menggunakan pompa kalor. Berbeda dengan mobil berbahan bakar fosil, kompresor pompa kalor mobil listrik mengambil tenaga langsung dari baterai. Untuk fungsi pemanasan, bebrapa jenis mobil listrik, terutama generasi awal, menggunakan pemanas koil yang mengambil langsung energi dari baterai. Pemanas model ini sangatlah tidak efisien, terutama pada cuaca yang sangat ekstrim. Pada saat baterai sudah mulai panas (mobil berjalan), panas dari baterai bisa juga digunakan untuk pemanasan kabin. Pada model-model terbaru mobil listrik (misalnya Tesla), pompa kalor sudah mulai digunakan sehingga memberikan efisiensi lebih baik.
Baca juga artikel terkait emisi mobil listrik
Menghitung efisiensi dari pompa kalor
Efisiensi pompa kalor dinyatakan dengan Coefficient of Performance (COP). COP merupakan perbandingan jumlah kalor yang dipindahkan dari dalam ruangan dengan input listrik yang diperlukan, untuk fungsi pendinginan.
Sedangkan fungsi pemanasan, COP adalah jumlah kalor yang dipindahkan ke dalam ruangan dengan input listrik yang diperlukan. Oleh karenanya COP pompa kalor selalu lebih atau sama dengan 1. Sebagai contoh, COP=2 berarti setiap 1 satuan energi listrik yang diberikan, dapat memindahkan 2 satuan enertgi kalor.
Untuk pemanasan, lebih efisien mana pompa kalor dengan pemanas listrik atau gas?
Pompa kalor pasti lebih efisien karena COP selalu lebih dari 1. Jika kita menggunakan pemanas listrik, maksimum COP adalah 1 dan tidak mungkin lebih besar. Artinya untuk mendapatkan 100 watt energi kalor, kita memerlukan 100 watt listrik. Contoh lain penghasil panas adalah hair dryer. perubahan energi yang terjadi pada hair dryer adalah energi listrik yang diubah menjadi energi kalor. Misalnya hair dryer dengan input 500 watt listrik akan menghasilkan energi kalor 500 watt juga.
Jika kita menggunakan pompa kalor (misal COP=3), untuk mendapatkan 100 watt kalor, input listrik yang diperlukan hanya 33.33 watt saja.
Apa yang mempengaruhi efisiensi pompa kalor (misal AC)
Banyak. Misalnya temperatur udara luar, setting temperatur ruangan, sumber panas di dalam ruangan, insulasi ruangan, sistem kontrol pompa kalor, penggunaan inverter dan sebagainya.
Misalnya, jika temperature udara luar terlalu panas atau temperatur dalam ruangan di set terlalu rendah, tentunya akan memerlukan listrik yang lebih besar pula. AC modern dilengkapi dengan inverter untuk mengatur output kompresor. Disaat beban pendinginan tidak terlalu besar, kompresor tidak perlu bekerja pada kapasitas maksimal, sehingga mengurangi input listrik.
Jenis pompa kalor yang lain
Pompa kalor siklus kompresi uap adalah yang paling umum digunakan. Selain itu ada juga teknologi pompa kalor yang lain yaitu kelompok Solid State Heat Pump. Disebut demikian karena, hampir sama sekali tidak menggunakan bahan cair ataupun gas, melainkan hanya solid (padat). Termasuk pada kelompok ini adalah Thermoelectric Cooling, Magnetic Cooling dan Thermoacoustic Cooling.
Thermoelectric cooling bekerja dengan dengan prinsip prinsip efek Peltier. Prinsip ini memungkinkan kalor berpindah dari satu sisi ke sisi lain (berdasarkan perbedaan temperatur) dan mengubah beberapa bagian kalor tersebut menjadi energi listrik. Magnetic cooling memanfaatkan efek magnetocaloric untuk pendinginan, sedangkan Thermoacoustic menggunakan gelombang suara beramplitudo tinggi untuk memindahkan kalor.
Baca juga artikel lain mengenai pompa kalor sumber tanah atau Ground Source Heat Pump dan pentingnya penggunaan pendingin ruangan berbasis konservasi energi
Nice article
Thanks, hope you enjoy other posts as well..