Sistem AC mobil memiliki sejarah panjang sebagai aksesoris kendaraan. Sebelum tahun 1940, satu-satunya cara untuk tetap nyaman di dalam mobil dilakukan dengan mengatur ventilasi melalui kaca pintu atau jendela (Bhatti, 1999). Pada tahun 1940, Packard menjadi produsen mobil pertama yang menawarkan AC sebagai pilihan. Sistem pendingin terletak di bagasi belakang, dengan drive belt kompresor yang harus dipasang dan dilepas secara manual. Kemudian pada tahun 1969, lebih dari setengah mobil baru yang dijual dilengkapi dengan sistem AC kompresi uap yang dapat dioperasikan dengan mudah (Automobile, 2010). Skema dasar sistem AC kompresi uap disajikan pada Gambar 1 (Daly, 2006).
Gambar 1 Sistem AC kompresi uap pada mobil
Sekarang, sistem AC telah menjadi aksesori utama dalam mobil untuk meningkatkan kenyamanan. Sistem AC tidak hanya berfungsi untuk mengendalikan suhu, tetapi juga mampu mengendalikan kelembaban dan sirkulasi udara, serta mampu membersihkan bau, polusi, dan debu sehingga meningkatkan kenyamanan penumpang. Mayoritas sistem AC telah bekerja secara otomatis berdasarkan suhu kabin dan tekanan refrigeran. Di satu sisi sistem AC memberikan kenyamanan kepada penumpang, di sisi lain menyebabkan penurunan daya mesin yang signifikan karena pembebanan kompresor dan meningkatkan konsumsi bahan bakar.
Antara tahun 1995 dan 1998, Center for Energy Studies (CENERG) dan French Energy Agency (ADEME) melakukan serangkaian tes untuk mengidentifikasi konsumsi bahan bakar yang berlebihan (over fuel consumption) akibat pembebanan sistem AC. Objek penelitian ini adalah tiga jenis model mesin yaitu mesin bensin, mesin diesel hisapan biasa, dan mesin diesel dengan turbocharger. Pengujian dilakukan di United Test and Assembly Center (UTAC) dengan siklus pengujian terstandar Motor Vehicle Environment Group (MVEG) pada dua suhu ambient 30°C dan 40°C. Hasil pengukurannya disajikan dalam Tabel 1 berikut.
Tabel 1 Konsumsi bahan bakar akibat pembebanan sistem AC
Hasil studi CENERG dan ADEME kemudian dikonfirmasi kembali dengan jenis mobil dan kondisi yang berbeda (Benouali et al., 2003). Studi Benouali ini dilakukan pada suhu udara ambien 28°C, 50% RH yang mewakili kondisi musim panas rata-rata Eropa dan suhu udara ambien 35°C, 60% RH yang mewakili kondisi panas tinggi Eropa, dengan tidak ada radiasi matahari selama pengujian. Pengujian dilakukan pada test bench, dengan kompresor yang digerakkan oleh motor listrik. Siklus pengemudian mengikuti pola yang ditentukan oleh MVEG. Hasil studi ini menunjukkan bahwa konsumsi bahan bakar karena operasi AC sekitar 21-53%.
Studi lain menemukan bahwa sistem AC meningkatkan konsumsi bahan bakar hingga 90% dibandingkan dengan operasi tanpa AC selama kondisi idling (Lee et al., 2013). Dampak dari sistem AC pada konsumsi bahan bakar memiliki dua efek utama. Pertama, berhubungan dengan efek rumah kaca secara tidak langsung karena peningkatan konsumsi bahan bakar. Kedua, terkait faktor ekonomi, yaitu berpengaruh langsung terhadap biaya operasi (runing cost) kendaraan (Benouali et al., 2003; Vishweshwara et al., 2013). Sementara itu, tuntutan terhadap batas maksimal CO2 yang dikeluarkan pemerintah terhadap kendaraan jalan semakin diperketat.
Dalam studi yang lain, konsumsi bahan bakar akibat penggunaan sistem AC untuk pendinginan (cooling) dan penurunan kelembaban (dehumidifying) kabin kendaraan di Eropa mencapai 3,2% dari total konsumsi bahan bakar global (Rugh et al., 2004). Sebuah studi yang sama menunjukkan bahwa konsumsi bahan bakar untuk mobil sedan meningkat 20-25% saat sistem AC dioperasikan (Bharathan et al., 2007). Bahkan pada kecepatan mesin rendah (idling), lebih banyak bahan bakar yang dipakai dibandingkan dengan saat mesin beroperasi pada putaran sedang dan tinggi (Huff et al., 2013; Lee et al., 2013).
Metode untuk Mereduksi Konsumsi Bahan Bakar Berlebih dan Penurunan Daya Akibat Pembebanan Sistem AC
Berbagai metode dan pendekatan dilakukan oleh para peneliti untuk mereduksi peningkatan konsumsi bahan bakar dan penurunan daya akibat pembebanan sistem AC. Dalam hal perbaikan kinerja sistem yang sudah ada, salah satunya dilakukan dengan penggunaan Variable Capacity Compressor (VCC) (Wang et al., 2009). VCC menghasilkan Coefficient Of Performance (COP) yang lebih tinggi daripada Fixed Capacity Compressor (FCC) pada kecepatan tinggi, meskipun kinerja VCC sedikit lebih rendah dari FCC pada kecepatan rendah (Alkan & Hosoz, 2010). Kinerja VCC terkait dengan konsumsi bahan bakar dan emisi CO2 juga telah dipelajari oleh Zima, Wang, Kadle, & Bona (2014). Untuk VCC yang dikendalikan secara pneumatik, mampu mengurangi CO2 hingga 1,0 g/km dan untuk VCC yang dikontrol secara elektronik mampu mengurangi CO2 hingga 0,4 g/km.
Alternatif lain untuk mengurangi konsumsi energi adalah dengan penerapan kompresor digerakkan oleh tenaga listrik dari baterai kendaraan atau dikenal dengan Electrically Driven Compressor (EDC). Sistem ini membuat kecepatan kompresor menjadi independen dari kecepatan mesin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja EDC lebih baik daripada untuk sistem belt-driven (Dahlan et al., 2014). Baru-baru ini, kecepatan kompresor telah dikendalikan menggunakan sistem kecerdasan buatan (artificial intellegent) yang melibatkan sistem pemrograman non-linier (Ng et al., 2014) dan bahkan dengan sistem kontrol secara virtual dengan teknologi Internet of Thing (IOT) (Guo et al., 2017).
Metode Alternatif Untuk Menggantikan Sistem AC Kompesi Uap pada Mobil
Sistem AC mobil secara umum bekerja berdasarkan siklus kompresi uap (Gambar 1). Namun karena tuntutan efisiensi mesin dan isu lingkungan, beberapa tahun ini dikembangkan sistem absorpsi. Salah satunya diteliti oleh Vicatos et al. (2008). Energi thermal dari gas buang digunakan untuk daya refrigerasi absorpsi pada kendaraan. Desain teoritis yang dibuat kemudian diverifikasi di laboratorium dan tes jalan. Rekayasa ini telah dimanfaatkan walaupun hanya menghasilkan COP yang kecil dengan angka 0,8 sampai 0,9. Sistem yang sama juga diteliti dan diaplikasikan pada kabin truk (Tiwari & Parishwad, 2012). Sistem absorpsi yang dikembangkan menghasilkan efek pendinginan sebesar 1 sampai 1,2 kW, dengan nilai COP yang juga relatif kecil yaitu sebesar 0,4 sampai 0,45.
Sitem absorpsi lain dilakukan dengan sistem water chiller yang memanfaatkan loop air pendingin mesin (Vasta et al., 2012). Pengujian dilakukan dengan menginstal chiller adsorpsi ke kabin truk untuk membuktiksn fungsi prototype. Rekayasa ini mampu menghasilkan aliran udara bertemperatur 9°C dengan daya pendinginan diperkirakan mencapai 2 kW. Sistem absorpsi telah menjadi pilihan yang menjanjikan untuk pengganti sistem kompresi uap meskipun kinerjanya masih relatif rendah (Aleixo et al., 2010; Aly et al., 2017; Ponce Arrieta et al., 2016; Rêgo et al., 2014).
Terkait dengan optimasi material, telah dilakukan simulasi sistem refrigerasi absorpsi dengan energi dari gas buang untuk AC mobil penumpang khususnya untuk komponen avaporator dan condenser (Sowjanya, 2015). Semua bagian yang diperlukan untuk sistem refrigerasi absorpsi dirancang dan dimodelkan dalam software Pro/Engineer dan dianalisis dengan ANSYS. Hasil simulasi ini menunjukkan bahwa evaporator dan condenser yang terbuat dari material paduan alumunium menghasilkan kinerja yang lebih baik dari material tembaga.
Selain sistem absorpsi, dikembangkan pula sistem penggerak kompresor dengan daya eksternal. Sebuah mesin berbahan bakar biogas dengan putaran konstan digunakan untuk menggerakkan kompresor AC (Koli & Yadav, 2013). Tujuannya untuk mengurangi kebutuhan daya mesin dan mengurangi emisi. Dengan sistem ini, mampu menghasilkan 1 Ton Refrigerasi (TR) yang setara dengan beban pendinginan mobil penumpang (Bhatti, 1999). Persyaratan minimum dari sistem AC mobil juga terpenuhi, suhu evaporator coil yang mencapai 11°C; dan suhu ruangan mencapai hingga 22 °C dengan konsumsi biogas 0.20 m3. Penelitian ini merujuk pada Damrongsak & Tippayawong (2010) yang melepas sistem AC dari mobil untuk diuji dengan mesin berbahan bakar biogas berukuran kecil (compact modular). Rekayasa ini menghasilkan efek pendinginan 3.5 kW pada putaran kompresor 1000 rpm. Namun demikian, sistem AC dengan penggerak mekanik dari eksternal ini baru diteliti skala laboratorium. Penerapan pada kendaraan lebih rumit karena harus melibatkan dua mesin dan dua sistem bahan bakar.
Sebuah konsep baru untuk menggerakkan kompresor AC sebagai upaya untuk mengurangi beban mesin dilakukan dengan sistem turbo. Energi kinetis dan tekanan gas buang digunakan untuk memutar baling-baling turbo untuk memutar kompresor AC dengan penghubung sebuah magnetic gear (Kumar et al., 2014). Salah satu keuntungan utama dari konsep ini adalah dapat diaplikasikan dengan mudah untuk digunakan pada mesin daya rendah dan dapat memastikan AC berkapasitas tinggi. Konsep ini menawarkan pemanfaatan energi gas buang yang lebih baik dan dapat mereduksi konsumsi bahan bakar.
Metode Alternatif Untuk Mereduksi Temperatur Kabin
Masalah lain terkait dengan ketidaknyamanan kendaraan adalah temperatur yang sangat tinggi di dalam kabin saat mobil diparkir dibawah terik matahari saat musim panas. Beberapa metode diperkenalkan oleh para peneliti untuk menurunkan temperatur kabin tersebut. Sebuah AC portable bersumber daya baterai digunakan untuk memitigasi panas yang berlebihan dalam kabin (Basar et al., 2013). Dengan sistem ini mampu menjaga suhu di dalam mobil pada kisaran 25°C sampai 30°C dari semula yang dapat mencapai 70°C ketika diparkir di bawah kondisi yang sangat panas (direct sunlight).
Penelitian lain dilakukan dengan memasang ventilator yang digerakkan oleh solar cell (Saidur et al., 2009). Sistem ventilator memberikan kenyamanan untuk penumpang di awal memasuki pintu kendaraan dan menjaga interior tetap dingin. Ventilator adalah cara alternatif untuk mengurangi suhu di dalam mobil serta kenyamanan yang lebih baik. Penurunan suhu dalam kompartemen mobil akan mengurangi konsumsi energi sistem AC. Selain itu, berkurangnya suhu akan menghambat kerusakan interior. Penelitian yang sama juga dilakukan oleh Vishweshwara et al. (2013). Dengan daya motor 10 Watt, mampu menurunkan temperatur kabin hingga 50% dari kondisi semula. Sementara itu, penurunan temperatur kabin juga dilakukan dengan metode solar reflective car shells (Levinson et al., 2011).
Selain memberikan kenyamanan, kedua cara ini juga mampu meringankan beban AC saat dioperasikan pada kondisi yang sangat panas serta mampu mengurangi resiko kerusakan interior mobil karena beban panas saat parkir dibawah terik matahari. Dengan temperatur awal yang lebih rendah, mempercepat proses pull-down time sehingga temperatur comfortable juga lebih cepat tercapai. Metode ini berkontribusi pada pengurangan emisi dan konsumsi bahan bakar walaupun hanya dalam jumlah yang kecil.
Referensi
Aleixo, A., Morais, S., Cabezas-gómez, L., & Ricardo, J. (2010). Using engine exhaust gas as energy source for an absorption refrigeration system. Applied Energy, 87(4), 1141–1148. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.07.018
Alkan, A., & Hosoz, M. (2010). Comparative performance of an automotive air conditioning system using fixed and variable capacity compressors. International Journal of Refrigeration, 33(3), 487–495. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2009.12.018
Aly, W. I. A., Abdo, M., Bedair, G., & Hassaneen, A. E. (2017). Thermal performance of a diffusion absorption refrigeration system driven by waste heat from diesel engine exhaust gases. Applied Thermal Engineering, 114, 621–630. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.019
Automobile. (2010). Automotive Air Conditioning – History. Automobile Megazine. http://www.automobilemag.com/news/automotive-air-conditoning-history/
Basar, M. F., Musa, M., Faizal, M. Y., & Razik, N. H. a. (2013). Alternative Way in Reducing Car Cabin Temperature Using Portable Car Cooling System ( Car-Cool ). International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, 3(3), 140–143. http://www.ijitee.org/attachments/File/v3i3/C1080083313.pdf
Benouali, J., Clodic, D., Mola, S., Presti, L., Magini, M., Malvicino, C., & Fiat, C. R. (2003). Fuel Consumption of Mobile Air Conditioning Method of Testing and Results. The Earth Technology Forum, April, 1–10. http://www-cep.ensmp.fr/english/visite/chapitre9/pdf/MAC fuel consumption.pdf
Bharathan, D., Chaney, L., Farrington, R. B., Lustbader, J., Keyser, M., & Rugh, J. P. (2007). An overview of vehicle test and analysis results from NREL’s A/C fuel use reduction research. VTMS 8 – Vehicle Thermal Management Systems Conference and Exhibition, June, 567–580. https://www.nrel.gov/transportation/assets/pdfs/41155.pdf
Bhatti, M. S. (1999). Evolution of Automotive Air Conditioning Riding in Comfort : Part II. ASHRAE Journal, 41(9), 44–50. https://www.ashrae.org/…/docLib/…/2003627102420_326.pdf
Dahlan, A. A., Zulkifli, A. H., Nasution, H., Aziz, A. A., Perang, M. R. M., Jamil, H. M., & Zulkifli, A. A. (2014). Efficient and ‘Green’ Vehicle Air Conditioning System Using Electric Compressor. Energy Procedia, 61, 270–273. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.1105
Daly, S. (2006). Automotive Air-conditioning and Climate Control Systems. In Igarss 2014 (Issue 1). Elsevier Ltd. http://www.sciencedirect.com/science/book/9780750669559
Damrongsak, D., & Tippayawong, N. (2010). Experimental investigation of an automotive air-conditioning system driven by a small biogas engine. Applied Thermal Engineering, 30(5), 400–405. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2009.09.003
Guo, Y., Li, G., Chen, H., & Hu, Y. (2017). Development of a virtual variable-speed compressor power sensor for variable refrigerant. International Journal of Refrigeration, 74, 71–83. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.09.025
Huff, S., West, B., & Thomas, J. (2013). Effects of Air Conditioner Use on Real-World Fuel Economy. SAE Technical Paper, 2013–01–05. https://doi.org/10.4271/2013-01-0551
Koli, S. R., & Yadav, S. D. (2013). Experimental Investigation of Air Conditioning System in Automobile Using A Constant Speed Biogas Engine. International Journal of Automobile Engineering Research and Development, 3(1), 15–20. http://www.tjprc.org/view-archives.php?year=2013&id=23&jtype=2&page=1
Kumar, S., Babu, M., Sajin, S., Vishnu, K., Varun, R., & Vishnu, C. . (2014). Analysis on Turbo Air-Conditioner : an Innovative. International Journal of Mechanical And Production Engineering, 2(3), 38–41. https://doi.org/IJMPE-IRAJ-DOI-566
Lee, J., Kim, J., Park, J., & Bae, C. (2013). Effect of the air-conditioning system on the fuel economy in a gasoline engine vehicle. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 227(1), 66–77. https://doi.org/10.1177/0954407012455973
Levinson, R., Pan, H., Ban-Weiss, G., Rosado, P., Paolini, R., & Akbari, H. (2011). Potential benefits of solar reflective car shells: Cooler cabins, fuel savings and emission reductions. Applied Energy, 88(12), 4343–4357. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.05.006
Ng, B. C., Darus, I. Z. M., Jamaluddin, H., & Kamar, H. M. (2014). Dynamic modelling of an automotive variable speed air conditioning system using nonlinear autoregressive exogenous neural networks. Applied Thermal Engineering, 73(1), 1253–1267. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.08.043
Ponce Arrieta, F. R., Sodré, J. R., Mateus Herrera, M. D., & Barros Zárante, P. H. (2016). Exergoeconomic analysis of an absorption refrigeration and natural gas-fueled diesel power generator cogeneration system. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 36, 155–164. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.10.022
Rêgo, A. T., Hanriot, S. M., Oliveira, A. F., Brito, P., & Rêgo, T. F. U. (2014). Automotive exhaust gas flow control for an ammonia-water absorption refrigeration system. Applied Thermal Engineering, 64(1–2), 101–107. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.12.018
Rugh, J., Hovland, V., & Andersen, S. (2004). Significant Fuel Savings and Emission Reductions by Improving Vehicle Air Conditioning. 15th Annual Earth Technologies Forum and Mobile Air Conditioning Summit. http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/ancillary_loads/pdfs/fuel_savings_ac.pdf
Saidur, R., Masjuki, H. H., & Hasanuzzaman, M. (2009). Performance Of An Improved Solar Car Ventilator. International Journal of Mechanical and Materials Engineering, 4(1), 24–34. http://eprints.um.edu.my/6776/1/Perfromance_of_an_improved_solar_car_ventilator.pdf
Sowjanya, L. (2015). Thermal Analysis of a Car Air Conditioning System Based On an Absorption Refrigeration Cycle Using Energy from Exhaust Gas of an Internal Combustion Engine. Advanced Engineering and Applied Sciences, 3(4), 47–53. http://www.urpjournals.com
Tiwari, H., & Parishwad, G. V. (2012). Adsorption Refrigeration System for Cabin Cooling of Trucks. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2(10), 337–342. http://www.ijetae.com/files/Volume2Issue10/IJETAE_1012_60.pdf
Vasta, S., Freni, A., Sapienza, A., Costa, F., & Restuccia, G. (2012). Development and lab-test of a mobile adsorption air-conditioner. International Journal of Refrigeration, 35(3), 701–708. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2011.03.013
Vicatos, G., Grizagoridis, J., & Wang, S. (2008). A Car Air-Conditioning System Based On An Absorption Refrigeration Cycle Using Energy From Exhaust Gas Of An Internal Combustion Engine. Journal of Energy in Southern Africa, 19(4), 6–11. http://www.erc.uct.ac.za/jesa/volume19/19-4jesa-vicatosetal.pdf
Vishweshwara, S. C., Marhoon, J., & Dhali, A. L. (2013). Study of Excessive Cabin Temperatures of the Car Parked in Oman and its Mitigation. International Journal Of Multidisciplinary Sciences And Engineering, 4(9), 18–22. http://www.ijmse.org/Volume4/Issue9/paper4.pdf
Wang, M., Zima, M. J., & Kadle, P. S. (2009). Energy-Efficient Air Conditioning Systems Utilizing Pneumatic Variable Compressors. SAE International Journal of Passenger Cars – Mechanical Systems, 2(1), 725–735. https://doi.org/10.4271/2009-01-0539
Zima, M., Wang, M., Kadle, P., & Bona, J. (2014). Improving the Fuel Efficiency of Mobile A/C Systems with Variable Displacement Compressors. SAE Technical Paper, 2014–01–07, 1–6. https://doi.org/10.4271/2014-01-0700.