Perancangan dan Studi Eksperimental Tangki Penyimpan Energi Termal Stratifikasi dengan Variasi DiameterDiffuserdan Debit Aliran

Hilmi Radhitya Kenar, Ir. Joko Waluyo, M.T., Ph.D., IPM, ASEAN Eng., APEC Eng.

2026 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Kebutuhan energi yang terus meningkat mendorong pengembangan 

teknologi penyimpanan energi yang mampu meningkatkan efisiensi pemanfaatan 

energi, termasuk pemanfaatan energi panas buangan dan sumber energi terbarukan. 

Salah satu teknologi yang banyak dikembangkan adalah Tangki Penyimpan Energi 

Termal (PET) stratifikasi, yang bekerja dengan mempertahankan pemisahan antara 

lapisan fluida panas dan dingin sehingga energi termal dapat disimpan secara lebih 

efektif. Kualitas stratifikasi termal dipengaruhi oleh berbagai faktor, di antaranya 

geometri tangki dan kondisi operasi. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan untuk 

merancang dan membangun tangki PET stratifikasi skala laboratorium serta 

mengevaluasi pengaruh variasi diameter diffuser dan debit aliran terhadap 

karakteristik stratifikasi termal dan unjuk kerja penyimpanan energi.  

Penelitian dilaksanakan secara eksperimental di Laboratorium Perpindahan 

Kalor dan Massa, DTMI, Fakultas Teknik UGM, menggunakan tangki PET silinder 

vertikal berbahan extruded acrylic tebal 5 mm (diameter 110 mm, tinggi 1300 mm, 

dengan kepala tangki berdiameter head). Air dipanaskan hingga 50°C 

menggunakan immersion heater dan termostat, dialirkan oleh pompa melalui 

diffuser cincin radial berlubang dengan tiga variasi diameter (11, 15, dan 19 cm) 

pada tiga variasi debit (1,0; 1,25; dan 1,5 LPM), yang diukur menggunakan 

rotameter. Distribusi temperatur direkam menggunakan 12 termokopel dan data 

logger setiap satu menit selama proses charging, kemudian dianalisis dengan regresi 

non linier metode Four Parameter Sigmoid (FPS) untuk memperoleh parameter Tc, 

Th, C, dan S? sebagai dasar perhitungan WTC, Qcum, dan FoM1/2.  

Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan diameter diffuser dari 11 

cm menjadi 19 cm pada debit aliran 1,25 LPM menurunkan rata-rata ketebalan 

termoklin (WTC) dari 27,57 cm menjadi 13,17 cm, menurunkan rata-rata energi 

pada daerah pencampuran (Clost) dari 17,67 Wh menjadi 8,42 Wh, meningkatkan 

rata-rata Half-cycle Figure of Merit (FoM½) dari 81% menjadi 86%, serta 

menghasilkan energi tersimpan kumulatif (Qcum) yang lebih tinggi pada menit ke

12, yaitu sekitar 262,44 Wh, 242,09 Wh, dan 250,73 Wh untuk diffuser 11 cm, 15 

cm, dan 19 cm. Sementara itu, pada diffuser 15 cm, peningkatan debit aliran dari 

1,0 menjadi 1,5 LPM meningkatkan rata-rata ketebalan termoklin (WTC) dari 11,26 

cm menjadi 31,58 cm, rata-rata Clost dari 7,42 Wh menjadi 20,71 Wh, sedangkan 

rata-rata FoM½ menurun dari 92% menjadi 82%. Di sisi lain, energi tersimpan 

kumulatif (Qcum) pada menit ke-12 meningkat dari sekitar 201,32 Wh pada debit 

1,0 LPM menjadi 286,48 Wh pada debit 1,5 LPM. Selain itu, hasil validasi 

menggunakan metode visualisasi menunjukkan kesesuaian yang baik dengan 

metode Four Parameter Sigmoid (FPS), sehingga metode tersebut dapat digunakan 

sebagai pendekatan yang andal dalam mengevaluasi karakteristik stratifikasi termal 

dan unjuk kerja tangki penyimpan energi termal.

The increasing global energy demand has encouraged the development of 

energy storage technologies capable of improving energy utilization efficiency, 

including the utilization of waste heat and renewable energy sources. One of the 

most widely developed technologies is the stratified Thermal Energy Storage (TES) 

tank, which operates by maintaining the separation between hot and cold water 

layers, allowing thermal energy to be stored more effectively. The quality of 

thermal stratification is influenced by several factors. Therefore, this study aimed 

to design and construct a laboratory-scale stratified Thermal Energy Storage (TES) 

tank and experimentally investigate the effects of tank head diameter and flow rate 

on thermal stratification. 

The research was conducted experimentally at the Heat and Mass Transfer 

Laboratory, Faculty of Engineering, Universitas Gadjah Mada, using a vertical 

cylindrical TES tank made of 5 mm thick extruded acrylic (110 mm diameter, 1300 

mm height, with an enlarged head section). Water was heated to 50°C using an 

immersion heater and thermostat, then circulated by a pump through a perforated 

radial-ring diffuser with three diameter variations (11, 15, and 19 cm) at three flow 

rate variations (1.0, 1.25, and 1.5 LPM), measured using a rotameter. Temperature 

distribution was recorded using 12 thermocouples and a data logger, then analyzed 

using nonlinear regression via the Four Parameter Sigmoid (FPS) method to obtain 

the Tc, Th, C, and S? parameters, which served as the basis for calculating 

thermocline thickness (WTC), cumulative stored energy (Qcum), and Half-cycle 

Figure of Merit (FoM1/2).  

The results showed that increasing the diffuser diameter from 11 cm to 19 cm 

at a flow rate of 1.25 L/min reduced the average thermocline thickness (WTC) from 

27.57 cm to 13.17 cm, reduced the average heat loss energy (Clost) from 17.67 Wh 

to 8.42 Wh, increased the average Half-cycle Figure of Merit (FoM½) from 81% to 

86%, and resulted in higher cumulative stored energy (Qcum) at the 12th minute, 

reaching approximately 262.44 Wh, 242.09 Wh, and 250.73 Wh for the 11 cm, 15 

cm, and 19 cm diffuser diameters, respectively. Meanwhile, for the 15 cm diffuser, 

increasing the flow rate from 1.0 to 1.5 L/min increased the average thermocline 

thickness (WTC) from 11.26 cm to 31.58 cm and the average Clost from 7.42 Wh 

to 20.71 Wh, while the average FoM½ decreased from 92% to 82%. On the other 

hand, the cumulative stored energy (Qcum) at the 12th minute increased from 

approximately 201.32 Wh at a flow rate of 1.0 L/min to 286.48 Wh at 1.5 L/min. In 

addition, the validation results demonstrated good agreement between the 

visualization method and the Four Parameter Sigmoid (FPS) method, indicating that 

the FPS method is a reliable approach for evaluating thermal stratification 

characteristics and the performance of stratified thermal energy storage tanks.

Kata Kunci : Tangki Penyimpan Energi Termal Stratifikasi, Distribusi Temperatur, Four Parameter Sigmoid, Unjuk Kerja, Visualisasi, Termoklin.