Pompa kalor geothermal (geothermal heat pump) atau pompa kalor sumber tanah (Ground Source Heat Pump, GSHP) adalah salah satu jenis pompa kalor. Seperti halnya pompa kalor yang lain, GSHP dapat memindahkan kalor atau panas, dari benda atau tempat bersuhu rendah ke benda atau tempat bersuhu tinggi. Teknologi GSHP banyak dipakai untuk pendingin atau pemanas ruangan. Selain itu, pompa kalor geothermal juga dapat diaplikasikan untuk pompa panas lain, misalnya, pemanas air. Sistem ini memiliki efisiensi kalor lebih tinggi dibanding pompa kalor lainnya.
Perbedaan dengan pompa kalor yang umum kita jumpai adalah jenis reservoir kemana atau dari mana kalor dipindahkan. Sebagai contoh, pompa kalor yang sering kita jumpai yaitu pendingin ruangan (air conditioner, AC) yang disebut juga air source heat pump (ASHP).
Saat kita menggunakan AC sebagai pendingin ruangan, kalor dipindahkan dalam ruangan ke luar ruangan. Pada pompa kalor geothermal, sesuai namanya, panas dipindahkan dari dalam ruangan ke dalam tanah melalui serangkaan penukar panas. Sistem ini sama seperti AC biasa yang dapat digunakan sebagai pemanas ruangan dengan memodifikasi arah siklus kompresi uap-nya.
Baca juga artikel sebelumnya mengenai pompa kalor
Mengapa pompa kalor geothermal lebih efisien dari AC biasa (ASHP)?
Sistem ini memanfaatkan temperatur tanah yang stabil sepanjang tahun. Seperti dapat dilihat pada gambar 2, temperature udara pada negara empat musim bervariasi mengikuti pola sinusoidal. Sementara temperature tanah relative konstan sekitar 140C-170C. Sebagai contoh, pada musim panas, temperatur udara mencapai 350C. AC biasa memerlukan energi listrik lebih besar untuk memindahkan panas dari ruangan ke luar ruangan dengan suhu 350C. Sedangkan pompa kalor geothermal memerlukan energi listrik lebih kecil untuk memindahkan panas ke tanah dengan temperatur yang lebih rendah (sekitar 140C-170C).
Sebagai ilustrasi, ketika anda memompa ban sepeda yang kempes, awalnya terasa ringan karena tekanan di dalam ban rendah. Lama kelamaan, seiring bertambahnya tekanan ban, pompa terasa lebih berat. Efisiensi pompa kalor geothermal, seperti halnya pompa kalor yang lain di representasikan dengan Coefficient of Performance (COP). Apa itu COP, dapat dibaca pada artikel mengenai pompa kalor berikut
Jenis-jenis pompa kalor geothermal
Jenis pompa kalor geothermal dibedakan berdasarkan sistem penukar panas dengan tanah. Secara umum, jenis GSHP dibagi menjadi 2 macam, sistem tertutup (closed loop) dan sistem terbuka (open loop). Pada sistem tertutup, fluida penukar panas dialirkan melalui penukar panas di dalam tanah secara tertutup. Sedangkan sistem terbuka memanfaatkan air tanah yang dipompa langsung untuk mambawa kalor yang kemudian dikembalikan ke dalam tanah. Sistem tertutup dibagi lagi berdasarkan konfigurasi penukar panasnya. Misalnya, sistem vertikal, horizontal dan energy piles. Pada sistem vertikal, pipa penukar panas dimasukkan pada lubang bor (borehole). Sedangkan pada sistem horizontal, pipa jaringan penukar panas ditimbun di kedalaman dangkal, yang bisa dilakukan dengan tenaga manusia. Pipa penukar panas bisa juga dipasang pada beton tiang pancang pada saat pembangunan gedung seperti pada sistem energy piles. Jenis-jenis pompa kalor geothermal dapat dilihat pada gambar 3.
Peran pompa kalor geothermal dalam mengurangi emisi gas rumah kaca
Jumlah penggunaan AC di seluruh dunia semakin meningkat. Misalnya, di Asia tenggara, tercatat pertumbuhan permintaan AC sebesar 6.1% per-tahun (lihat gambar 4). Sedangkan di Asia tenggara, data tahun 2016 menunjukkan lebih dari 80% listrik dihasilkan dari bahan bakar fosil (batubara, gas dan minyak bumi), penyumbang utama gas rumah kaca. Dengan kesadaran dan penerapan konservasi energi, termasuk penghematan energi dan penggunaan pompa kalor geothermal, kita dapat berperan aktif mengurangi kerusakan lingkungan. Sebagai contoh, jika pompa kalor geothermal memiliki efisiensi listrik 30% lebih kecil dari AC biasa, emisi karbon dari penggunaan pendingin ruangan dapat dikurangi 30%.
Kelebihan dan kelemahan pompa kalor geothermal dibanding AC biasa (ASHP)
Kelebihan
- Efisiensi kalor yang direpresentasikan dengan Coefficient of Performance (COP) lebih tinggi dibanding AC biasa. Sehingga, penggunaan GSHP lebih hemat energi
- Lebih mudah digabungkan dengan sistem yang lain. Misalnya, kalor yang dipindahkan ke dalam tanah dapat dimanfaatkan dahulu untuk pemanas air. Sistem gabungan seperti ini (hybrid system) meningkatkan efisiensi kalor.
- Mengurangi efek Urban Heat Island (UHI). Dikota besar seperti Jakarta, Singapura, penggunaan AC semakin meningkat. Pertumbuhan AC di Asia Tenggara mencapai 6.1% pertahun. Peningkatan penggunaan AC biasa akan membuat udara semakin panas (efek UHI). Penggunaan pompa kalor geothermal dapat meminimalisasi efek tersebut, karena kalor dilepaskan ke dalam tanah.
- Untuk daerah dengan aliran air tanah tinggi, sistem terbuka dapat memberikan COP lebih tinggi daripada sistem tertutup.
Kekurangan
- Kelemahan utama sistem ini adalah mahalnya biaya pemasangan. Biaya pemasangan dapat dikurangi dengan menerapkan sistem energy piles atau sistem horizontal yang tidak memerlukan pengeboran khusus. Disisi lain, harga AC biasa di pasaran jauh lebih murah. Seiring dengan semakin banyaknya penggunaan, biaya total system akan berkurang pula.
- Kurang populer dan pemasangan yang lebih rumit dibandingkan AC biasa.
- Pada sistem terbuka, air tanah dapat menyebabkan penyumbatan dan korosi pada penukar panas, akibat kandungan unsur Besi (Fe) dan Mangan (Mg) dari air tanah.
Faktor yang mempengaruhi efisiensi pompa kalor geothermal
Faktor utama yang mempengaruhi efisiensi dari sistem ini adalah temperatur tanah. Untuk pendingin ruangan, semakin rendah temperatur tanah, semakin tinggi COP. Sebaliknya, jika digunakan untuk pemanas, semakin tinggi temperatur tanah, semakin tinggi COP yang didapat.
Apakah pompa kalor geothermal efisien sebagai pendingin ruangan di negara tropis?
Secara teknis, jika temperatur tanah cukup rendah, pompa kalor geothermal masih memiliki COP lebih tinggi dibanding AC biasa. Permasalahan yang timbul adalah, di negara tropis, pompa kalor hanya berfungsi sebagai pendingin. Untuk itu, kalor dipindahkan kedalam tanah sepanjang tahun, menyebabkan temperatur tanah yang terus meningkat. Meningkatnya temperatur tanah akan menurunkan COP dari sistem. Namun, efek dari aliran air tanah, dapat mengurangi peningkatan temperatur tanah, ditunjang dengan pengoperasian yang memadai dari sistem oleh pengguna.
Fluida penukar panas dapat berupa air. Pada negara dengan musim dingin, ditambahkan cairan yang memiliki titik beku lebih rendah dari air, seperty Ethylene Glycol atau Propylene Glycol untuk mencegah pembekuan fluida.
Apa bahan yang digunakan untuk penukar panas dalam tanah?
Bahan yang umum sekali digunakan adalah pipa HDPE (High Density Polyethylene).
Apakah kemungkinan kebocoran pada penukar panas dalam tanah?
Faktor utama keamanan dan ketahanan penukar panas dalam tanah adalah sambungan antar pipa. Dengan memastikan sambungan yang kuat, penukar panas dalam tanah mampu tahan sampai 30 tahun bahkan lebih. Selain itu, sampai saat ini belum ditemukan adanya laporan dalam bentuk penelitian ataupun artikel lain mengenai kerusakan penukar panas dalam tanah karena gempa bumi.
Jika anda mempunyai pendapat, opini atau ingin berdikusi lebih lanjut, silakan menuliskan di bagian comment di bawah
