Jurnol Teknik Energi, Vol 6 No 2 Tahun 20 t6 ISSN : 2089 -2527

IMPLEMENTASI SISTEM KONTROL DISKRIT T]NTUK I'TBXIDSOL,4R WATER HEATERMENGGUNAKAN OMRON CPM2A

Sri Utami, RizkyKurniaJurusan Teknik Konversi Energi - politeknik N

sn.utamtegeri Bandungolban.ac.id

mencapai 49% U1. Penelitian yang dilakukandi Califomia ini ini juga melaporkan bahwapenggunaan gas alam untuk rumah tangga bisaturun hingga 350% untuk keperluan F,emanasairnya jika mengimplementasikan desainprosedur yang sudah terimprovisasi danmenggunakan peralatan yang mempunyaiefisiensi yang tinggi [2]. Peningkatan efisiensipemanas air juga bisa diperoleh denganmenggunakan metode ini.

Qi (2006) menyebutkan solar water heaterdengan teknologi yang terus berkembang telah

Email: mlwu a oo_com

ABSTRAK

Pemanfaaan pemanas air tenoga surya dirosakan kurang optimal karena ketergantungarurya terhadapkondisi cuaca yang tidak dapot diprediksi- pengembangan sirem hybrid yang -"n{gobor;k r- ,ora*arerheoter dan etemen pemanos tistrik yang dikontril t""*i ditk it dilriukan'dalim peilitianlni. sistem disfutini diSuna*an untak mengurangi kansumsi daya pemanas air elekrrik disamping untuk menemhi nii; panas oiryang dibutuhkan oleh konsumen

_ untuk_ sistem kontrol diskrit yang diusulkan, digunakan omron cpM2A sebagai programmbte LogicControl d.rn LM35 sebagai sensor

.temperatur. Elemen pemanas listrik akan berfungsliika aii yang dihasilkanpemanqs air tenaga surya didalan rangki nirai panosnya masih bertm ;orii drngo,

' ser- point yqng

diinginkan.Pengurongan konsumsi doya listrik dilaiukan iengon memberikan beberapinitai s*'poiit yartu100%, 75%, 5095 dan 25%o dari totar daya yang diperlukan oleh elemen pemonos. Dingan ko*oi disbr inisislem dapat mengurangi korcumsi energi sebesar ],0.92%" dibandingkan dingon sisrem iwersional.

Kala kunci : pemanos qir, tendgo suryq, sistem hybrid, kontrol diskit, sensor temperqtur

KEn+ords: water heater, solq power, hybrid system, discrete control, temperalure sewor

r. PENDAHULUAII

Dalam kehidupan sehari-hari salah satupemanfaatan energi matahari adalah pemanasair atau solsr water heater yang menggunakanprinsip dari kolektor surya yang menangkapradiasi sinar matahari. Pemanas air merupakankebutuhan sehari-hari yang sangat vital bagipenduduk dan menrpakan salah satupengkonsumsi gas alam yang palingsignifikan- Berdasarkan survey yang dilakukanoleh Residential Appliance Soturation Surveypenggunaan gas alam untuk memanaskan air

521

ABSTRACT

APplicarion of solqr water healer is still not optimal since ir depends on unpredicrable wearher. Thisreseqrch aimed to develop hybrid rystem which combines a solqr waler-heoter and eiectric heating element thatwere controlled discreatly- The discrete system \er,s used to reduced power consumption of electr; watur heaterbesides lo meet consumers requirement ofwoter fiom certain temperatur.

For proposed system, Omron CPM2A was used os controller for discrete system and LM 35 qs tempetaturesensor. Electric heqter element will work when wqrer produced by solat wqrer heater inside storage'tank hosheot value thal still does not sttit \9ith lhe set point. Reduction of electric payer consunption was do; by giv4severql set poinr values, thqt were 10004, 75%, s0% and 25% of thi total power'required by the'heatingelement. The discrete contrcl sysrem was qble to reduce energt consumptiin by 10.'9zok cimparing withcowenlional.

digunakan lebih dari 15000000 buah di China

[3]. Untuk meningka&an performa solar waterheater ini telah dilakukan beberapa penelitianmengenai lrybrid solar water heater- Solarwater heater dikombinasikan dengan mesinodsorption refrigation untuk memenuhikebutuhan pemanasan air rumah tangga untukmusim yang berbeda serta meningkatkanefisiensi penggunaan energi matahari [3].Untuk meningkatkan efisiensi, penggunaan

solar water heater, dikombinasikan untukp€manzrs ruangan pada musim dingin [4].Penggunaan solar water heater untuk skalabesar juga telah dilakukan denganmengimplemenusikannya untuk pemanas airpada pusat olahraga. Penelitian ini dilakukanuntuk kondisi iklim hongkong dan tiga kotalain di Prancis dan dibandingkan dengansistem pemanas konvensional [5].

Menurut penelitian [3], solar water heater(SWH) selain mempunyai manfaat jugamemiliki kekurangan yaitu energi matahariyang tersedia tidak selalu dapat memenuhikebutuhan pemanasan air. Karena itu beberapapenelitian untuk meningkatkan performa SWHagar dapat memenuhi kebutuhan pemanasanair telah dilakukan. Diantaranya dilakukanoleh Premkumar (2012) dengan menambahkansheel danlube thermal absorber dengan solarPV module untuk mengekstraksi panas [6].Cassard dkk (2011) dalam laporannya untukResidential Solar Water Heating di UnitedStates menunjukkan bahwa sistem solar waterheater yang di-backup dengan penggunaan gasalam mengalami penurunan pada capitalcostnya sebesar $2500 [7]. Penggunaan solarwater heater memberikan altematif penggantisumber energi fosil, terutama untuk instalasiskala besar. Sehingga perlu dicari desain yangefektif untuk dapat menggunakan SWHmeskipun ketika nilai irradiasi matahari tidakterlalu tinggi-

Penelitian ini bertujuan untukmengkombinasikan solar water heater denganelemen pemanas elektrik yang dikontrolmenggunakan Omron CPM2A sebagai sistemkontrolnya. Elemen pemanzrs listrik inidikontrol secara otomatis guna mendapatkantemperatur yang ingin dicapai dari air yangkeluar dari solar water heater jika set pointyang diinginkan belum tercapai. Denganpenambahan sistem kontrol lrybrid initemperatur air dapat diatur sesuai keinginanpengguna meskipun nilai irradiasi matahari

ISSN : 2089 -2527

tidak terlalu tinggi. Kelebihan lain sistem

kontrol hybrid ini adalah pengurangan

konsumsi daya pemanas elektrik sehinggadapat menghemat penggunaan energi listrik.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Solar Water Heoler (SWH)

Menurut Harris (2005), Pemanas airtenaga surya adalah sebuah sistem dimanapanas matahari dikumpulkan oleh kolektorsurya dan digunakan untuk meningka&an suhu

cairan pentransfer panas (air atau cairanantibeku) yang mengalir melalui pipa-pipa dikolektor; panas yang terkandung dalam cairanini kemudian disampaikan dan dipindahkan keair domestik [8]. Sistem ini terbagi menjadi 2yaitu sistem pemanas air tenaga suryalangsung dan sistem peman:rs air tidaklangsung.

Pada sistem p€manas air tenaga suryalangsung input air (air domestik) langsungmengalir, melewati kolektor, kemudianmenuju ke tangki pasokan air panas.

Sedangkan pada sistem pemanas air tenagasurya tidak langsung menggunakan sirkulasiloop tertutup dan memiliki elemen penukarpanas; cairan yang mengalir melewati kolektorsurya terisolasi dari kontak dengan cairan lain(air minum) pada sistem.

2.2 Programmable Logic Controllen (PLC)

Programmable Logic Contollers(PLC)adalah komputer elektronik yang mudahdigunakan (user friendly) yang memilikifungsi kentlali untuk berbagai tipe dan tingkatkesulitan yang beraneka ragam .PLC inidirancang untuk menggantikan suaturangkaian relay sequensial dalam suatu sistemkontrol. Selain dapat diprogram, alat ini jugadapat dikendalikan, dan dioperasikan olehorang yang tidak memiliki pengetahuan dibidang pengoperasian komputer secara khusus.PZC ini memiliki bahasa pemrograman yangmudah dipahami dan dapat dioperasikan bilaprogram yang telah dibuat denganmenggunakan software yang sesuai denganjenis PZC yang digunakan sudah dimasukkan.

Alat ini bekerja berdasarkan inpul-input yangada dan tergantung dari keadaan pada suatuwaktu tertentu yang kemudian akan meng-ONatau meng-OFF kan output-oulput. Nilai Imenunjukkan bahwa keadaan yang diharapkan

522

Jurnal Teknik Energi, Vol 6 No 2 Tahun 2016

Jurnal Teknik Energi, Vol 6 No 2 Tqhun 2016

terp€nuhi sedangkan nilai 0 berarti keadaanyang diharapkan tidak terpenuhi. PLC .fugadapat diterapkan untuk pengendalian sistemyang memiliki 120 Input Output. Jenis PLCyang digunakan adalah tipe OMRON CPM2A-4oCDR-A dengan total Input Output sebanyak40.

2J Sensor Temperatur LMJS

Suhu merupakan keadaan tingkat panas ataudingin pada benda, baik benda padat, cairataupun benda gas. Tingkatan suhu pada suaturuang dapat diukur dengan menggunakansensor suhu yang terpasang pada ruangtersebut. Besaran suhu tidak bias langsungditerima oleh komponen elektronik, sehinggaperlu perantara pengubah keadaan suhumenjadi besaran elektronik. Sensor yangdigunakan adalah jenis LM35. Tiga pin LM35menujukan fungsi masing - masing pindiantaranyq pin I berfungsi sebagai sumbertegangan kerja dari LM35, pin 2atauten gahdigunakansebagaitegangankeluaranatauVoutdenganjangkauankerjadari 0 Voltsampai dengan 1,5 Volt dengan teganganoperasi sensor LM35 yang dapat digunakanantar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensorini akan naik sebesar l0 mV setiap derajat.

3. IMPLf,Mf,NTASI

Sistem hy,brid SWH-pernanasyang diusulkan seperti diagramGambar I .

eleldrikskematik

ISSN : 2089 -2527

r- --- ___- -__J

)t,

i

,a

L l

Gambar l. Desain sistem hybrid SIYH

Air berasal dari tangki air menuju kekolektor surya menggunakan pompa. So/artoter heater bekerja dengan memanfaatkanenergi radiasi matahari yang diserap olehCollector yang kemudian panas yang diserapakan ditransferkan pada air. Namundikarenakan radiasi sinar matahari yang tidak

!."l-rL

sama dan selalu berubah-ubah, sehinggatemperatur air output yang dihasilkan tidakselalu sama. Oleh karena itu dibuat sebuahsistem p€manas tambahan untuk meningkatkandan mengatur temperatur air orrpt, sesuaidengan yang dibutuhkan.

Pemanas yang digunakan adalah pemanaselektrik yang memanfaatkan energi listriksebagai sumber energinya. Air yang sudahmelewati solar collector ini disimpan di dalampenyimpanan. Dari penyimpanan, air bisalangsung digunakan, jika sudah sesuai denganset point yang diinginkan, atau memanfaatkanelemen pemanas, jika suhu air kurang dari setpoint yang diinginkan. Sebaliknya jikatemperatur air melebihi set point yangdiinginkan, maka pompa akan aktif danmengalirkan air dingin untuk dicampurkandengan air di dalam slarage sampai dicapaisuhu yang diinginkan.

Terdapat 4 nilai set point untukpemanasan air menggunakan elemenpemanasan yaitu (l) 10tr/o, (2)750 , (3)5Uo/o,dalt, (4) 25% dari arus elemen pemanas yangdikontrol pada sistem. Untuk set point tersebutterdapat dua skenario yang diimplementasikanpada si*em lrybrid yang dibuat.

(l) Pada saat temperatur air yang masukmenuju srarage lebih rendah dari satpoinlyang telah ditentukan, maka sistemkontrol akan mengaltilkan heater hinggatemp€ratur air didalam storage mencapaitemperatur set point. Setelah set pointtercapai maka sistem kontrol akanmematikan heater. Pada prosespemanasan inilah sistem kont,r.ol hybridditerapkan, dengan mengatur konsumsidaya heater pada beberapa kondisi yangbertujuan utuk menghemat konsumsi dayaheater

(2) Ketika temperatur air yang masuktemyata lebih tinggi dari set point yangditentukan, sistem kontrol akanmengakti{kan pompa air pendingin yangmengalirkan air dingin menuju storagedan menurunkan temperatur air padastorage hingga mencapai set point.

Untuk sistem proteksi pa& sistam s()lor walerheater digunakan levelswitch pada storage dantangki sumber air. Dengan menggunakan 2buah level sytitch pada storage (High danLow). Level switch lour berfungsi untuk

523

Jurnal Teknik Energi, Vol 6 No 2 Tahun 2016

4. HASIL DAN DISKUSI

Pengujian dilakukan dengan

membandngkan performa sislem yangdiusulkan dengan kontrol on-off, pengujiandilakukan pada pukul 11.00, dengan radiasimatahari + 570 Wm2 dan temperatur air 26.5'C. Volume pada storage digunakan sebanyak+35 liter dengan elemen pemanas yangdigunakan memiliki daya sebesar 600 watt.Pada pengaturan kontrol diskrit, kondisitemperatur pada rangkaian sensor temperaturdiatur pada kondisi yang ditunjukkan pada

Tabel I .

Table I Pengatuan kontrol diskrit yang digunakan

Pengukuran temperatur adalah temperaturair di dalam storage, sedangkan dataarus sertategangan pada elemen pemanas diambil setiap2 menit dimulai ketika sistem hybrid aktifhingga ser point tercapai. Data tersebutdiambil untuk mengamati daya yangdikonsumsi oleh elemen pemanas elektrikpada sistem kontrol lrybrid.Kemudian datayang didapat dibandingkan antara sistemkotrol diskritdangan sistem kontrol oz-of

4.1 Pengujian Sensor Temperatur

Pengujian sensor suhu dilakukan selaiuntuk mengamati konversi temperatur menjadarus sekaligus untuk mengetahui akurasi hasilkonversi l'C menjadi O.IVDC pada sensortersebut. Kenaikan tegangan yang ditunjukanpada Gambar (2), yang merupakan hasilpengukuran, linier seiring dengan naiknya

ISSN : 2089 -2527

temperatur air yang ditunjukan olehtermometer.

t .!nt-r-lfj-tdt.F. ,

lta

I

I

1

fi

iir

l

.lit

l,

e"lo["

t

i

Gambar 3. Crafik Pengujian Konsumsi Daya

Pada pengujian sistem distrit temperaturair awal pada tangki sumber air adalah 26.5'C,setelah melewati kolektor surya temperaturyang masuk ke storage menjadi 30.2"C. Prosespeningkatan temperatur air pada storage

dimulai dari temperatur 30.2€. Dari hasilpengujian, Grafik pengujian sistem kontroldiskrit diatas menunjukan hubungan antarakenaikan temp€ratur dengan konsumsi dayaelemen pamanas, dapat terlihat bahwa sistemkontrol rangkaian diskrit dapat mengurangikonsumsi daya. Daya akan berkurang padatsmperatur tertentu sesuai dengan grafik pada

Gambar 3 sesuai dengan pengaturan kondisidiskrit pada rangkaian sensor temperatur.

Pada pengujian rangkaian diskrit inisesuai dengan tabel l. Pengaturan kondisi Ipada 2OC, kondisi 2 pada 35"C, kondisi 3

pada 37"C, dan kondisi 4 pada 39"C, serta set

NORange

temperatureec)

Settirg daya

I 2 20-35 100% ( 1600 w)2 3.5 7s% (x450 W)

3.7 37 -39 50% (+300 w)4 3.9 39 set point

524

mengaktifkan pompa supply air danmemastikan agar air didalam storage tidakkosong sedangkan level switch i@ berfungsiuntuk mematikan pompa supply air danmengaktifkan sistem hybrid. Unttk levelsreitch yang ditempatkan pada bagian bawahtangki sumber air berfungsi untukmengnonaktilkan sistem kontrol pada saat airpada tangki kosong.

x-Frl _*_t9

Gambar 2 Grafik Pengujian Rangkaian SensorTemperatur

4.2 Pengujian Konsumsi Daya

Dari data yang didapat dari pengujian

rangkaian diskrit maka dapat dibuat grafikhasil percobaan, Grafik tersebut ditunjukanpada Gambar 3.

Pcogojiro sico Kool Di&it

9-

I'

o t ro rt , t, ro !r a at t ',

a at n r[b(...!

-t--p6t(q -trH(l)

Vref(v)

35-37

25% (+150 W)

Jurnal Teknik Energi, l/ol 6 No 2 Tahun 2016

point yang ditentukan adalah 4&C. Pada grafikterlihat pada saat temperatur mencapai 35.8oCdaya berkurang dari semula 525 watt (dayaI00%) menjadi 398 watt (daya 75Yo),begitupun ketika temperatur mencapai 37.4 oCdaya turun menjadi 249 watt (daya 41%o) dan39.1 oC daya turun menjadi 137 watt (daya26%o\. Daya akan turun sesuai denganpengaturan temperatur kondisi diskrit padarangkaian sensor temperatur dan berapa persenpengaturan daya pada rangkaian pembagidaya.

4J Perbandingan Sistem Diskrit dan On-offSebagai pembanding dilakukan pengujian

pada sistem on-off- Pengujian kontrol on-offdilakukan dengan temperatur awal air 30.4.Cdan dinaikan temperatumya menggunakanelemen pemanas elektrik hingga mencapaitemperatur set point 40"C. Perbandingansistem yang diusulkan dengan sistem on-offseperti terlihat pada Gambar 4. Dari grafikdiatas dapat terlihat bahwa daya yangdikonsumsi elemen pemanas konstan padasekitar 525 wan. Berbeda dengan sistemkontrol diskrit yang akan mengurangi dayapada temperatur tertentu.

lir6-d.3E Koo6o.i D.n

9--f

ISSN : 2089 -2527

6. REFERENSI

[1] KEMA, lncorporated, "2009 CatifurniaRes lential Appliance Saturation Study,,,Executive Summary, Califomia EnerryCommission 2009

[2] Meister, 8., 2012. " Water HeatingDesign Guide". California EnerryCommission. Davis Enerry GroupIncorporated

[3] Qi, 2.,2006. "Study On Hybrid SystemOF Solar Powered Water Heater andAdsorption Ice Maker". IntemationalJournal on Architectural Science, Volume6, Number 4, p.168-172

[4] Bhasin, V.,2014. "Performance TestingMethodology of a Hybrid Solar WaterHeater-cum-room Lighting Room Heater,,

[5] Bai, Y., Chou TT., M'en'ezo, C. andDupeyrat, P. 2012. "Analysis of a HybridPV/Thermal Solar-Assisted Heat pumpSystem for Sports Centerwater HeatingApplication". lntemational Journal ofPhotoenergyVolume 2012, Article ID265838

[6] Premkumar, S., Ramanathan, p.,Kanagaraj, R. and Prabhakar, S., 2012."Design and Experimental Evaluation ofHybrid Photovoltaic-Thermal (pvff)Water Heating System"

[7] Cassard,H., Denholm,P. and Ong,S. 201 l.Break-even Cost for Residential SolarWater Heating in the United States: KeyDrivers and Sensitivities- TechnicalReport .National Renewable EnerryLaboratory

[8] Harris, C. M. 2005. 'Dictionary ofArchitecture & Construction"- Mc. Graw-Hill.

tallt!Itia.rrotraSnt9arL-

-Drgdl(D +DFl6d!o1

Gambar 4 Grafik Perbandingan Konsumsi Daya

Dari perbandingan konsumsi daya dapatterlihat bahwa sistem kontrol rangkaian diskritdapat mengurangi konsumsi daya elemenpemanas elektrik pada Hybrid Solm WaterHeater. Nilai energi yang diserap heater padasistem kontrol on-of adalal sebesarI.661.107.6 Joule. Sedangkan energi yangdiserap heater pada sistem kontrol diskitsebesar 1.480.723,3 Joule

5. Kf,SIMPULAN

525

Dari pengujian yang telah dilakukan,sistem yang diusulkan dapat mengurangip€nggunaan energi listrik sebesar 10,97% jikadibandingan dengan sistem kontrol on-off.Sistem kontrol diskrit membutuhkan waktuyang lebih lama untuk menca;ni temperaturset point dibandingkan dengan sistem kontrolon-off. Untuk nilai set point yang sama. sistemyang diusulkan membutuhkan waktu 68 menit39 detik, sedangkan sistem on-off memerlukanwaktu 52 menit 37 detik. Sehingga terdapatperbedaan waktu sekitar 16 menit 2 detik.