DESAIN TATA RUANG BANGUNAN ECO-HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) PADA IKLIM TROPIS IMANUEL ZEGA

Transkripsi

1 DESAIN TATA RUANG BANGUNAN ECO-HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) PADA IKLIM TROPIS IMANUEL ZEGA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

2

3 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Juni 2013 Imanuel Zega NIM F

4 ABSTRAK IMANUEL ZEGA. Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis. Dibimbing oleh LILIK PUJANTORO. Eco-house merupakan aplikasi dari perancangan ekologis dimana pengaturan ruangnya memperhatikan masalah-masalah termal dalam suatu ruangan, penggunaan energi dan sumber daya yang berkelanjutan. Tujuan penelitian ini adalah merancang tata ruang bangunan Eco-house yang dapat dihuni petani dan fokus pada aspek kenyamanan termal daerah tropis, yaitu suhu, kecepatan angin dan kelembaban relatif. Bangunan Eco-house dirancang dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Proses perancangan diawali dengan validasi simulasi CFD yang diterapkan pada Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem yang diuji keakuratan hasil simulasinya. Proses perancangan yang sama diterapkan pada proses perancangan tata ruang bangunan Eco-house. Perancangan tata ruang bangunan Eco-house memanfaatkan sistem ventilasi alami dengan rancangan efek angin dan kombinasi antara efek angin dan efek termal. Hasil rancangan ventilasi kombinasi merupakan rancangan simulasi yang memenuhi syarat kenyamanan termal dengan rataan sebaran suhu sebesar o C, kecepatan angin m/detik dan kelembaban relatif udara 65%. Pembuatan ventilasi atap dan perancangan bangunan yang tegak lurus terhadap arah gerakan angin mendukung syarat kenyamanan termal bangunan. Kata kunci: angin, Eco-house, kelembaban, rancang, suhu ABSTRACT IMANUEL ZEGA. Design Layout of Eco-house Using Computational Fluid Dynamics (CFD) in Tropical Area. Supervised by LILIK PUJANTORO. Eco-house is the application of ecological design where its layout considering the thermal problems in a room, the use of energy and sustainable resources. The objectives of this research is to design the Eco-house s layout which can be inhabited by farmers and focused on aspects of the thermal comfort in tropics. Eco-house was designed by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The design process is started by the validation of CFD simulation of Laboratory of Environmental Engineering of Biosystem which is the accuracy of simulation result is tested and validated. The same design process of CFD simulation is applied to the process of designing Eco-house's layout. The designs of Eco-house's layout utilize natural ventilations sistem with the design of the wind and the combination of wind and thermal effects. Design of ventilation combination of results of simulation comfort are qualified with the equivalent temperature distribution of o C, wind velocity of m/s and relative humidity of 65%. The additional of roof vents and designing the building perpendicular to the direction of wind supports the thermal comforts requirement. Key words: design, Eco-house, relative humidity, temperature, wind

5 DESAIN TATA RUANG BANGUNAN ECO-HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) PADA IKLIM TROPIS IMANUEL ZEGA Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

6

7 Judul Skripsi : Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis Nama : Imanuel Zega NIM : F Disetujui oleh Dr Ir Lilik Pujantoro, MAgr Pembimbing Diketahui oleh Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen Tanggal Lulus:

8 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala karunia-nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah perancangan tata ruang, dengan judul Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Lilik Pujantoro yang telah banyak memberi saran dan masukan selama penelitian ini dilaksanakan. Kepada Dr. Ir. Rokhani Hasbullah dan Dr. Ir. Dyah Wulandani sebagai dosen penguji, terimakasih atas masukan dan perbaikan yang diberikan. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada papa, mama, serta seluruh keluarga yang ada. Terimakasih juga saya sampaikan kepada Agus Niam, MSi, Pandu Gunawan, MSi dan Eni Sumarni, MSi yang telah banyak membantu selama penelitian, juga kepada Pak Ahmad, selaku teknisi Lab TLB. Kepada sahabat-sahabat satu jurusan Andre, Johannes, Tino, Ranto, Dhea Selly, Diza, Fiki, Dila, Harli, Yutha dan sahabat Magenta 45 TEP terimakasih buat kebersamaannya. Kepada sahabatsahabat terkasih di Komkes Gunawan, Sankiki, Tiur, Ruth, Handrio, Amudi, Astra, Esterike, Fredy, Yoshi, Yeyen, Sule, Verawati dll dan juga sahabat Kopral 45 Leo, Gio, Tini, Puyun, Hanna dll, juga buat sahabat sekontrakan Steward, Riko, Liber dan Putra terimakasih buat semua yang bisa dibagikan dan diberikan selama perkuliahan dan seterusnya. Kepada seluruh pihak yang membantu dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Juli 2013 Imanuel Zega

9 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 2 Tujuan Penelitian 2 Manfaat Penelitian 2 Ruang Lingkup Penelitian 3 TINJAUAN PUSTAKA 3 Proses Desain 3 Bangunan Eco-house 4 Computational Fluid Dynamics (CFD) 5 METODE PERANCANGAN 6 Bahan dan Alat 6 Merancang Tata Ruang Bangunan Eco-house 7 Evaluasi Produk Hasil Rancangan 9 Validasi Simulasi CFD 9 Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house 10 HASIL DAN PEMBAHASAN 11 Validasi Simulasi CFD 11 Data Keadaan Termal Lab TLB 11 Simulasi Keadaan Termal Lab TLB Menggunakan CFD 12 Hasil Simulasi Lab TLB 15 Validasi Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran 16 Tata Ruang Bangunan Eco-house, Simulasi Sebaran Suhu serta Kelembaban Relatif Bangunan Eco-house 19 Tata Ruang Bangunan Eco-house 19 Simulasi Perubahan Suhu dan Kelembaban Relatif Di Dalam Tata Ruang Bangunan Eco-house 19 Sebaran Suhu dan Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD 22 SIMPULAN DAN SARAN 27 Simpulan 27 Saran 27 DAFTAR PUSTAKA 28 LAMPIRAN 29 RIWAYAT HIDUP 41 vii vii vii

10 DAFTAR TABEL 1. Daerah Perhitungan Simulasi Lab TLB 9 2. Daerah Perhitungan Simulasi Bangunan Eco-house Kondisi Masukan Data Simulasi Lab TLB 13 DAFTAR GAMBAR 1. Proses Perancangan 3 2. Total luasan inlet pada ventilasi 5 3. Komputer DELL XPS, hybrid recorder, termokopel 7 4. Termometer, Anemometer 7 5. Diagram Alir Proses Perancangan Tata Ruang 8 6. Langkah-langkah simulasi CFD 9 7. Penempatan Titik-titik Pengukuran Lab TLB Keadaan Suhu dan Kelembaban Relatif Lab TLB Perubahan Kecepatan Angin Lab TLB Geometri Bangunan Lab TLB Data Masukan Simulasi Perubahan Suhu dan RH Lab TLB Pk Perubahan Suhu dan RH Lab TLB Pk Perbandingan Suhu Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran Pk , Pk dan Pk Perbandingan Suhu Hasil Simulasi Pk Grafik Perbandingan Suhu Hasil Pengukuran dan Hasil Simulasi Pk , Pk , Pk , Pk Geometri Bangunan Eco-house Tata Ruang dan Penempatan Titik Pengukuran Bangunan Eco-house Perubahan Suhu Udara Lingkungan dan Hasil Simulasi Percobaan Perubahan RH Udara Lingkungan dan Hasil Simulasi Percobaan Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk DAFTAR LAMPIRAN 1. Bangunan Eco-house Bangunan Eco-house (Jenis Percobaan) Bangunan Eco-house (dimensi) Perubahan Suhu, Kecepatan Angin dan RH Pk , Pk , Pk dan Pk Tabel Keakuratan Hasil Simulasi 39

11 PENDAHULUAN Latar Belakang Salah satu alasan penting mengapa manusia membuat bangunan adalah karena kondisi alam atau iklim, dimana manusia berada tidak selalu sesuai untuk dapat menunjang aktivitas yang dilakukannya. Cukup banyak aktivitas manusia yang tidak dapat diselenggarakan akibat ketidaksesuaian dengan kondisi alam luar, untuk itu manusia membuat bangunan. Pertambahan penduduk dan perkembangan aktivitas manusia memicu perkembangan fisik bangunan. Pembangunan fisik negara berkembang seperti Indonesia cenderung mengkhawatirkan banyak pihak. Potensi perusakan lingkungan dan pelepasan gas rumah kaca secara besar-besaran sangat memengaruhi kondisi termal di kawasankawasan tertentu. Perumahan, gedung perkantoran, pusat-pusat perbelanjaan, rumah sakit dan lain-lain dibangun besar-besaran, namun dalam pembangunan fasilitas tersebut pemenuhan kenyamanan penggunan bangunan cenderung tidak dipenuhi. Pemenuhan kebutuhan bangunan bagi manusia modern adalah diharapkannya iklim luar yang tidak sesuai untuk menunjang aktivitas manusia dapat dimodifikasi, diubah menjadi iklim di dalam (bangunan) yang lebih sesuai untuk pemenuhan kenyamanan fisik manusia. Desain bangunan dapat diubah untuk meminimalkan pengaruhnya terhadap lingkungan. Kita berada dalam proses lambat memutar kembali keadaan yang destruktif menuju keadaan lingkungan yang regeneratif (penyembuhan lingkungan). Cara bagaimana suatu gedung berfungsi seimbang dengan alam mencerminkan kemampuan para perencana untuk mengerti cara membangun dan prosesnya, memilih bahan bangunan, melestarikan lingkungan bangunan dan menciptakan kenyamanan penghuni. Menghuni suatu bangunan tidak terlepas dari kualitas bangunan hunian tersebut. Kualitas menghuni suatu bangunan berhubungan erat degan psikologi menghuni, dengan perasaan santai dan nyaman. Kualitas menghuni tidak terbatas atas badan manusia saja yang terlindungi dari cuaca dan terik matahari, melainkan juga sebagai tempat tinggal seseorang. Pegangan dalam perancangan bangunan kawasan tropis yang nyaman harus didasarkan pada teknologi bangunan lokal, dimana perancangan dan penataan ruang yang ada di dalam dan di luar bangunan sesuai dengan tuntutan ekologis alam. Bangunan tropis yang ramah lingkungan dan dirancang penataan ruangnya sedemikian rupa merupakan penerapan prinsip perancangan ekologis yang memperhatikan masalah-masalah termal dalam suatu ruangan, penggunaan energi dan sumber daya yang berkelanjutan. Eco-house merupakan aplikasi dari perancangan ekologis dimana pengaturan ruangnya disesuaikan dengan elemen alam dan budaya. Desain bangunan Eco-house yang nyaman dalam arti penataan ruang yang ideal dengan iklim, kondisi termal yang baik dan aspek-aspek lain

12 2 yang mendukung kenyamanan di dalam bangunan akan diuji dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Perumusan Masalah Masalah kenyamanan di dalam bangunan pada iklim tropis merupakan suatu tantangan tersendiri bagi desainer bangunan. Pengendalian pengaruh iklim luar terhadap rasa nyaman penghuni di dalam bagunan dapat dilakukan dengan pendekatan ekologis terhadap bangunan secara tepat. Pada penelitian ini, dicoba untuk mendesain Eco-house dengan penataaan ruang yang sederhana untuk dapat dihuni petani secara umum dengan pendekatan simulasi yang dilakukan pada Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem (Lab LBP). Permasalahan yang diteliti dapat dirumuskan dalam beberapa pertanyaan sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh iklim luar terhadap distribusi suhu di dalam ruangan? 2. Apa pengaruh kelembaban relatif udara diluar bangunan terhadap penghuni di dalam ruangan? 3. Bagaimana penataan ruang yang sederhana dan nyaman bagi petani di iklim tropis? Tujuan Penelitian 1. Merancang tata ruang bangunan Eco-house sesuai dengan aspek kenyamanan termal 2. Mensimulasikan hasil rancangan tata ruang bangunan Eco-house menggunakan aplikasi Computational Fluid Dynamics (CFD) 3. Merancang bangunan Eco-house yang sesuai dengan kenyamanan termal pada iklim tropis basah Manfaat Penelitian Desain bangunan Eco-house disimulasikan dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Ruangan Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem yang divalidasikan, lalu diterapkan pada desain penataan ruang Eco-house. Penelitian diharapkan dapat memberikan informasi dan data yang akurat mengenai penataan ruang yang nyaman dan ideal bagi penghuni bangunan Eco-house pada wilayah yang memiliki iklim tropis basah.

13 3 Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada persepsi bahwa bangunan Ecohouse daerah iklim tropis basah dengan asumsi Sehingga geometri yang disimulasikan berasumsi geometri tunggal tanpa adanya geometri lain yang dapat mempengaruhi parameter fisik lingkungan rumah tanaman. 1. Radiasi permukaan atau pun pola aliran tidak dipengaruhi adanya pohon dan bangunan lain di sekitar bangunan Eco-house. 2. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi 3. Udara tidak terkompresi, dimana udara di lingkungan bangunan tidak dipengaruhi oleh tekanan udara disekitarnya 4. Udara bergerak dalam keadaan steady, dimana udara bergerak dengan kecepatan konstan 5. Panas jenis, konduktivitas dan viskositas dianggap konstan, yaitu kayu dan beton TINJAUAN PUSTAKA Proses Desain Menurut Harsokoesoemo (1999) pada Gambar 1 menunjukkan bahwa perancangan adalah kegiatan awal dari usaha merealisasikan suatu produk yang keberadaannya dibutuhkan oleh masyarakat untuk meringankan hidupnya. Perancangan bangunan Eco-house yang nyaman dan ideal merupakan keadaan yang disesuaikan dengan kualitas hunian bangunan tersebut, dalam hal penelitian ini adalah penataan ruang yang baik yang dipengaruhi oleh beberapa aspek, antara lain: kondisi termal dalam bangunan, kenyamanan termal dan ventilasi alami. NO Identifikasi Kebutuhan Analisis masalah, spesifikasi produk dan perancangan proyek Perancangan konsep produk Perancangan produk Evaluasi produk hasil rancangan Dokumen untuk pembuatan produk Gambar 1 Proses Perancangan (Harsokoesoemo, 1999) Pengendalian termal bangunan Eco-house yang mengandalkan dukungan alam di dalam bangunan disebut pengendalian pasif atau pengendalian struktural. Usaha pengendalian pasif memang tidak dapat selalu diharapkan dapat menghasilkan kondisi termal sesuai yang diinginkan sepanjang hari, karena elemen bangunan dan lingkungan sekitarnya mempunyai kemampuan pengendalian termal yang terbatas. Dalam perancangan bangunan Eco-house dilakukan semaksimal mungkin usaha pengendalian pasif dengan memanfaatkan YES

14 4 peristiwa alami dan sifat-sifat bahan dan konstruksi bangunan. Eco-house (Hejgaard, 2002) berkaitan dengan metoda kehidupan masyarakat dan cara hidupnya, seperti lahan, tanah, bumi yang ditinggali, air, angin/aliran udara, tanaman dan binatang, serta daur ulang pada limbah supaya dapat kembali ke bumi dan dapat dimanfaatkan lagi pada masa yang akan datang dan secara menyeluruh mengurangi dampak yang besar dan luas dimana pengaplikasiannya ada pada bangunan berbasis arsiterktur hijau (Eco-house) Bangunan Eco-house Iklim atau cuaca rata-rata merupakan fungsi matahari. Kata climate berasal dari bahasa Yunani klima yang berarti kemiringan bumi yang terkena cahaya matahari. Ciri-ciri iklim tropis basah antara lain: curah hujan tinggi, kelembaban tinggi, temperatur udara panas sampai dengan normal, angin (aliran udara) sedikit, radiasi matahari sedang sampai kuat (matahari bersinar sepanjang tahun). Pada iklim tropis basah, badan kita seringkali diperhadapkan pada situasi dimana harus menghadapi beban termal secara konstan. Kenyamanan termal sangat diperlukan untuk mengatasi masalah ini. Kenyamanan termal merupakan suatu kondisi pemikiran yang mengekspresikan kepuasan atas lingkungan termalnya. Eco-house memerlukan kondisi kenyamanan tropis sekitar 23.5 o C sampai 26.8 o C dan kelembaban 60-70% (Harsono 2004). Rancangan Eco-house mempunyai syarat utama yaitu berkaitan antara manusia dan alam, khususnya lahan pertanian. Rancang bangun suatu struktur rumah sederhana Eco-house sebagai kajian cukup mampu menahan beban orang tinggal dan beban konstruksi, dalam penerapan teknik secara riil memanfaatkan aliran udara alami untuk menahan efek radiasi matahari di siang hari. Proses pengendalian lingkungan di dalam bangunan model adalah pendinginan. Penggunaan sistem ventilasi pada bangunan Eco-house membantu proses pendinginan di dalam ruangan Eco-house karena adanya pertukaran udara di dalam ruangan dimana terdapat gerakan udara, yang mengalir ke dalam dan mendorong udara yang sudah ada di dalam keluar dari ruangan dengan kecepatan linier tertentu dan laju volumetrik tertentu. Gerakan udara tersebut secara alamiah dapat berasal dari efek angin dan atau efek termal. Keefektifan sistem ventilasi efek angin bergantung kepada arah hembusan angin terhadap konfigurasi bangunan Eco-house. Sistem ventilasi efek angin yang paling efisien disebut cross ventilation (ventilasi melintang) terhadap arah angin dengan sistem bentang ganda pada bangunan agar jarak tempuh aliran udara melintang bangunan lebih panjang sehingga mengurangi efektivitas aliran udara di dalam bangunan dan menurunkan suhu. Umumnya konstruksi dan tata ruang daerah tropis menggunakan konstruksi bangunan terbuka, yaitu pada sisi dan dindingnya seperti jendela dan pintu untuk memudahkan aliran udara karena efek angin melalui bangunan. Pada buku Lingkungan dan Bangunan Pertanian menjelaskan bahwa luas bukaan yang diperlukan tergantung pada laju ventilasi yang diperlukan. Luas bukaan masuk (inlet) harus sama dengan luas bukaan keluar (outlet). Nilai efektivitas bukaan (E) pada persamaan di atas dapat lebih bervariasi tergantung pada kondisi dinding dan sisi bangunan. Ventilasi efek termal dapat bersifat komplementer terhadap ventilasi efek angin, dimana penambahan lubang-lubang

15 ventilasi pada bagian bawah atap bangunan akan membuat udara mengalir dari bawah bangunan menuju ke bagian atas bangunan karena adanya gaya apung udara. Pada Gambar 2 dapat terlihat besarnya kecepatan aliran udara yang timbul akibat dari gaya apung udara tergantung dari perbedaan antara suhu di dalam dan luar bangunan, volume udara yang mengalir per satuan waktu tergantung pada luas bukaan, perbedaan tekanan statis dan tipe inlet. 5 Gambar 2 Total Luasan Inlet pada Ventilasi Dimana: A = luasan inlet total (m 2 ) Q = total pertukaran udara (l/s) I = total udara masuk dalam infiltrasi (l/s) c = udara yang masuk melalui inlet (l/s) a = luasan masing-masing inlet (m 2 ) Dalam penggunaannya kedua sistem ventilasi ini dapat berjalan secara bersamaan (kombinasi). Pengaruh sistem ventilasi terhadap keadaan termal di dalam bangunan dapat disimulasikan menggunakan metode computational fluid dynamics (CFD) dimana pengaruh suhu, kelembaban relatif dan kecepatan angin dapat ditunjukkan secara visual. Computational Fluid Dynamics (CFD) CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (Tuakia 2008). CFD dapat dibagi menjadi dua kata-kata, yaitu computational yang berarti segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metoda numerik atau komputasi, dan fluid dynamics yang berati dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. CFD terbentuk berdasarkan algoritma numerik dari permasalahan fluida yang terjadi sehingga dibutuhkan solusi permasalahan berdasarkan parameter-parameter yang mempengaruhi sifat fluida tersebut. Di dalam CFD, terdapat tiga tahapan, yaitu pra pemrosesan (pre-processor), pencarian solusi (solver) dan pasca pemrosesan (post-processor) yang harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan dalam melakukan pemrosesan (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

16 6 Sebuah perangkat lunak CFD memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Perangkat lunak ini dapat membuat virtual prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari informasi keandalan sistem yang didesain. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang dimasukan) (Tuakia 2008). METODE PERANCANGAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem, Departemen Teknik Mesin dan Biositem, FATETA-IPB. Penelitian dilaksanakan pada bulan Februari sampai Mei 2013 Bahan dan Alat Pada penelitian ini dalam desain dan simulasi memakai software Solidworks Premium Beberapa peralatan yang dipakai pada penelitian ini antara lain; 1. Komputer DELL XPS bit, Intel (R) Core (TM) i7-260 GHz RAM12.0GB. Gambar 3 menunjukkan komputer yang digunakan untuk menjalankan software Solidworks untuk membangun desain geometrik dan dapat bekerja untuk menganalisis suatu proses pindah panas dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). 2. Hybrid Recorder, Yokogawa Model MV F, Supply VAC, Frequency 50/60 Hz (gambar 3). Berfungsi untuk mengonversi pembacaan temperatur dari sensor termokopel. Temperatur akan tersimpan secara otomatis didalam hybrid recorder dan dapat diatur pembacaan temperaturnya sesuai pengulangan waktu yang diinginkan. 3. Termokopel (Gambar 3) Jenis termokopel yang dipakai tipe CC atau T, yang dapat dipakai untuk mengukur suhu antara o C. Ditempatkan pada titik-titik (Gambar 7) tertentu pada lingkungan penelitian dan dihubungkan dengan hybrid recorder 4. Termometer Termometer yang digunakan adalah termometer bola basah dan termometer bola kering.

17 7 Gambar 3 Komputer DELL XPS, hybrid recorder, Termokopel Penggunaannya untuk mengukur suhu di dalam bangunan dengan jeda waktu pembacaan suhu relatif lama dan digunakan sebagai pembanding pengukuran dengan menggunakan sensor termokopel (Gambar 4) 5. Anemometer Smart Sensor AR836 Plus, berfungsi untuk mengukur kecepatan angin dan besarnya tekanan angin (Gambar 4) Gambar 4 Termometer dan Anemometer Merancang Tata Ruang Bangunan Eco-house Tahapan kegiatan proses perancangan tersebut antara lain; pengukuran parameter iklim mikro, analisis pindah panas konveksi dan validasi hasil pengukuran dengan hasil simulasi. Proses perancangan dapat dilihat pada diagram alir berikut:

18 8 Proses Desain Identifikasi Kebutuhan Rincian Proses Desain Eco-house Kenyamanan termal (Suhu dan Kelembaban Relatif) Analisis masalah, spesifikasi produk dan perancangan proyek Iklim tropis yang tidak sesuai dengan syarat kenyamanan termal Perancangan konsep produk Pertukaran (sirkulasi) udara Perancangan produk Pertukaran udara (ventilasi) No o Pengambilan Data Suhu, RH dan kec angin Validasi Simulasi CFD Evaluasi produk hasil rancangan menggunakan CFD (Ventilasi alamiah efek angin dan efek termal) N Simulasi Lab TLB menggunakan CFD Validasi Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran Y Data keakuratan hasil simulasi Yes Merancang tata ruang bangunan Eco-house Proses Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house N Simulasi rancangan Tata Ruang bangunan Eco-house Kenyamanan Termal (T dan RH) Y Dokumen untuk pembuatan produk Selesai Tata ruang bangunan Eco-house yang sesuai dengan kenyamanan termal Gambar 5 Diagram Alir Proses Perancangan Tata Ruang

19 9 Evaluasi Produk Hasil Rancangan Validasi Simulasi CFD Data yang telah direkam selama pengambilan data seperti, besarnya temperatur, kecepatan angin dan kelembaban relatif merupakan data masukan yang akan dipakai pada proses simulasi. Metode CFD akan memperlihatkan hasil pengukuran diseluruh titik dengan mesh sebesar 5 mm. Hasil simulasi dilihat keakuratannya dengan membandingkan antara nilai suhu antara hasil pengukuran di lapangan dan hasil simulasi dan menjadi data masukan yang sama dalam desain tata ruang bangunan Eco-house. Berikut merupakan langkah-langkah dalam simulasi menggunakan CFD: Mulai Penggambaran Geometri (part dan assembly) Set kondisi umum (ambien) Pre-processor Set kondisi batas (boundary conditions dan goal parameters) Run No Meshing Calculation Solver Konvergen Yes Plot kontur, grafik dan data dari goal parameters Postprocessor Selesai Gambar 6 Langkah-langkah Simulasi CFD (Tuakia, 2008) Pengukuran dimensi Laboratorium TLB yang dilakukan mencakup keseluruhan bangunan, yaitu panjang, lebar dan tinggi, ukuran jendela dan pintu serta komponen-komponen di dalam laboratorium seperti meja, lemari dan rak buku yang dianggap memengaruhi aliran udara di dalam ruangan Pada gambar 7 ditunjukkan ada 26 titik yang disebar di dalam dan luar ruangan.titik-titik pengukuran yang diambil untuk proses simulasi sebanyak 24 titik yang mewakili

20 10 keadaan termal di dalam dan luar ruangan. Sumbu x dan sumbu z menunjukkan panjang dan lebar ruangan, dimana sumbu x mengarahkan bagian depan ruangan, dan sumbu x ke bagian belakang ruangan. Sumbu y mengarahkan ke bagian atas ruangan, dimana titik pengukuran sumbu y yang diambil, y= 50cm, y= 150cm, dan y= 250cm. Pengukuran dimulai jam 4 pagi dan data yang diambil satu jam sekali. Gambar 7 Penempatan Titik-titik Pengukuran Lab TLB Geometri Lab TLB digambar menggunakan software Solidworks Premium Koordinat kartesian (0,0,0) terletak ditengah-tengah bangunan. Geometri bangunan yang digambar mendekati keadaan yang sebenarnya sesuai pengukuran di lapangan, setelah geometri siap digunakan, computational domain diatur sebagai tempat perhitungan simulasi pada Tabel 1 Tabel 1 Daerah Perhitungan Simulasi (computational domain) Lab TLB Koordinat Jarak (m) Xmax 24.6 Xmin -16 Ymax 14 Ymin -13 Zmax 14 Zmin -14 Validasi dilakukan untuk membandingkan antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi menggunakan CFD pada titik-titik tertentu yang diinginkan menggunakan grafik perbandingan keakuratan hasil pengukuran dan hasil simulasi dengan persamaan f(x)=y dimana persamaan tersebut akan membentuk garis linier 45 0 Proses Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Proses desain tata ruang bangunan Eco-house diawali dengan perancangan tata ruang bangunan Eco-house dengan menerapkan sistem ventilasi alami dengan

21 membandingkan keadaan termal penggunaan ventilasi alami efek angin dan efek termal. Proses yang sama untuk data masukan simulasi CFD pada Lab TLB diterapkan pada simulasi bangunan Eco-house. Dimulai dengan penggambaran part bangunan, lalu assembly kemudian gambar geometri tersebut masuk pada tahap run, solver dan calculation sampai pada tahap konvergen. Tabel 2 merupakan daerah perhitungan simulasi bangunan Eco-house setelah penggambaran geometri. Hasil running berupa tabel dan grafik disesuaikan sampai mencapai kenyaman termal Tabel 2 Daerah Perhitungan (computational domain) Simulasi Bangunan Eco-house Koordinat Jarak (m) Xmax 4.1 Xmin -2.7 Ymax 3.1 Ymin -2.7 Zmax 3.5 Zmin HASIL DAN PEMBAHASAN Validasi Hasil Simulasi Data Keadaan Termal Lab TLB Pada Gambar 8 dapat dilihat kelembaban udara disekitar Lab. TLB pada grafik cenderung mengalami penurunan seiring dengan peningkatan suhu menuju tengah hari, lalu naik lagi pada malam hari. Kelembaban relatif udara di sekitar bangunan tertinggi terjadi pada pagi hari sebesar 85% dan terendah sekitar pukul hingga pukul sebesar 59%. Suhu (Celcius) :00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 Waktu Pengambilan Data (WIB) Suhu Lingkungan Gambar 8 Keadaan Suhu dan Kelembaban Relatif sebagai Masukan boundary conditions Simulasi Lab TLB RH Kelembaban Relatif (%)

22 12 Kecepatan angin yang ditunjukkan pada Gambar 9 diperoleh pada saat pengambilan data berkisar antara m/det. Kecepatan angin tertinggi terjadi pada sore hari sebesar 0.9 m/det yang langsung mempengaruhi kelembaban relatif udara disekitar bangunan. Velocity (m/det) 0:00 19:12 14:24 9:36 4:48 0:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 Waktu Pengambilan Data (WIB) Gambar 9 Perubahan Kecepatan Angin Lab TLB Kecepatan Angin Simulasi Keadaan Termal Lab TLB menggunakan CFD Proses simulasi diawali dengan penggambaran geometri Lab TLB, setelah dilakukan penggambaran geometri (Gambar 10 (pre-processor)), data yang menjadikan masukan sebelum simulasi pada boundary conditions CFD diambil dari data hasil rekaman suhu dari hybrid recorder, kelembaban relatif dan kecepatan angin. Hasil simulasi yang akan ditunjukkan mewakili keseluruhan data yang ada. Data hasil simulasi yang akan ditampilkan merupakan data yang dapat dilihat secara langsung pengaruh antara suhu udara dengan kelembaban relatif lingkungan juga kecepatan angin, dapat juga dilihat pada waktu suhu berada pada titik terendah dan pada titik tertinggi yang akan mempengaruhi suhu di dalam bangunan. Gambar 10 Geometri Bangunan Lab TLB Penetapan general settings dilakukan untuk mengatur kondisi awal simulasi, dimana proses simulasi rancangan tata ruang bangunan Eco-house diawali dengan proses simulasi Lab TLB yang diuji keakuratannya lalu diterapkan pada proses

23 perancangan tata ruang bangunan Eco-house. Tabel 3 merupakan kondisi pengaturan awal simulasi di Lab TLB yang dimulai dengan penggambaran geometri. Data yang dimasukkan untuk simulasi merupakan data pengukuran keadaan lingkungan lab TLB yang nantinya berfungsi sebagai data masukan boundary conditions, goal parameters dan penguji keakuratan hasil simulasi. Pukul Tabel 3 Kondisi Data Masukan Simulasi Suhu Lingkungan ( o C) RH lingkungan (%) Kecepatan angin lingkungan (m/det) Data masukan pada General Settings seperti pada Gambar 11 dilakukan setelah penggambaran geometri Lab TLB. Pada General Settings, tipe analisis aliran simulasi dipilih tipe aliran eksternal tanpa memasukkan cavities, dimana bagian yang dianalisis adalah bagian luar bangunan Lab TLB dan pengaruhnya terhadap bagian dalam geometri bangunan. Berdasarkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah, maka proses konveksi yang terjadi pada material padat diperhitungkan. Fluida yang dianalisis adalah udara (air) dengan tipe aliran laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara. Permukaaan dinding terluar diatur memakai wall conditions yang telah disediakan oleh CFD, yaitu Brick, red and rough dengan kekasaran sebesar μm. Pada initial mesh diatur sesuai pengaturan default, yaitu automatic settings, dimana level of initial mesh yang dipakai sebesar 3. Pada pengaturan boundary conditions, ventilasi alami, seperti jendela, pintu dan ventilasi atap menjadi masukan udara (inlet velocity) pada proses simulasi dan juga diatur tempat keluaran udara (environment pressure), agar proses aliran udara secara konduksi dan konveksi dapat terjadi. Dinding bangunan yang terkena udara secara langsung diatur sebagai real wall, dimana sebagai kondisi batas geometri internal rumah yang akan dipengaruhi oleh kondisi luarnya. Hasil (goals) yang diperlukan pada proses simulasi ini sama dengan simulasi ruangan Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem, dimana temperatur suhu udara di luar dan di dalam ruangan sebanyak 24 titik (surface goals), kecepatan angin rata-rata (global goal velocity (average)) dan kelembaban udara relatif (global goal relative humidity (average)) 13

24 14 (a) (d) (b) (e) (c) Gambar 11 Data Masukan Simulasi (a) Tipe Analisis Simulasi (b) Tipe Analisis Fluida (c) Pengaturan Paterial Padat (d) Kondisi Dinding (e) Kondisi Lingkungan

25 15 Hasil Simulasi Lab TLB Simulasi keadaan termal Lab TLB dilakukan selama 24 jam. Pada Gambar 12 dan 13 merupakan keadaan termal Lab TLB pada pukul dan yang akan diuji keakuratan hasil simulasinya, dengan gambar keadaan termal pukul dan (Lampiran 3). (a) (b) Gambar 12 Perubahan suhu (atas) dan Kelembaban Relatif Udara (bawah) Lab TLB pukul (a) Tampak Samping (b) Tampak Depan Panas tertinggi berada pada 1-2 jam setelah tengah hari, dimana pada pukul suhu udara sekitar bangunan mencapai 32.5 o C ditunjukkan oleh Gambar 12. Pada saat tersebut radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara yang sudah tinggi dan kelembaban udara yang rendah. Pada gambar dapat dilihat perubahan suhu di dalam ruangan dimana bagian bawah (lantai) sampai bagian tengah ruangan lebih rendah suhunya dibanding bagian atas ruangan, disebabkan ruangan masih menyimpan udara panas yang mengalir dari lingkungan dari waktu waktu sebelumnya. Suhu tertinggi di dalam ruangan pada saat tersebut, mencapai o C dan suhu terendah sebesar o C. Kecepatan angin maksimal yang terjadi sebesar 0.46 m/det, dengan kelembaban relatif udara sekitar 55-59%.

26 16 Pada Gambar 13 dapat dilihat keadaan termal lab TLB pukul Pada saat pengambilan data, kecepatan angin naik sebesar 0.9 m/det di dalam ruangan dengan kelembaban udara sekitar 60%. Gambar perubahan suhu di dalam ruangan yang didapat menunjukkan kecepatan angin dari luar ruangan sekitar 4 m/det dan menyebabkan angin berputar-putar di dalam ruangan. Hal ini juga disebabkan kerapatan suhu udara yang rendah di dalam ruangan dan panas dari suhu udara luar yang tersimpan di dalam ruangan dari waktu-waktu sebelumnya membuat kecepatan angin meningkat masuk ke dalam ruangan, serta bercampur dengan kelembaban yang rendah membuat angin di dalam ruangan terasa lebih kering pada saat itu. Kecepatan angin yang tinggi dari luar ruangan yang menabrak ruangan menyebabkan terjadinya olakan yang besar di bagian depan ruangan. Suhu tertinggi di dalam ruangan mencapai o C dan suhu terendah sebesar o C. Kelembaban di dalam ruangan juga tidak berbeda jauh dengan diluar ruangan. (a) (b) Gambar 13 Perubahan suhu (atas) dan Kelembaban Relatif Udara (bawah) Lab TLB pukul (a) Tampak Samping (b) Tampak Depan Validasi Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran Validasi merupakan suatu kegiatan pembuktian keakuratan suatu hasil simulasi terhadap hasil pengukuran yang sebenarnya. Nilai ketepatan antara hasil simulasi dan hasil pengukuran ditunjukkan dalam bentuk tabel maupun grafik. Grafik pada Gambar 14 berikut menunjukkan keakuratan antara hasil simulasi pada pukul 04.00, pukul 09.00, pukul 14.00, dan pukul di semua titik pengukuran. Pada pukul validasi maksimal mencapai 100% dan yang

27 terkecil sebesar 96%, sedangkan pada pukul validasi maksimal mencapai 100% dan minimum sebesar 97%. Pada pukul didapat validasi maksimal 100 % dan minimum sebesar 98%. Pada pukul 19.00, validasi maksimal sebesar 100% dan minimum sebesar 97%. 17 Suhu ( o C) Suhu ( o C) T. Ukur T. Simulasi (a) Titik Pengukuran T. Ukur T. Simulasi Suhu ( o C) Titik Pengukuran (b) T. Ukur T. Simulasi Titik Pengukuran (c) Gambar 14 Perbandingan Suhu Udara Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran pada (a) Pk (b) Pk (c) Pk 14.00

28 18 Suhu ( o C) T. Ukur T. Simulasi Titik Pengukuran Gambar 15 Perbandingan Suhu Udara Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran Pukul Pengujian keakuratan data juga dapat diperoleh dengan menggunakan analisis regresi linier yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada suatu grafik. Persamaan yang terjadi secara umum berupa persamaan f(x)=y, dimana persamaan tersebut membentuk garis linier 45 o dan titik-titik pengukuran serta simulasi dengan keakuratan yang tinggi akan berada pada garis linier tersebut Suhu Simulasi ( o C) Suhu Pengukuran ( o C) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Pengukuran ( o C) (a) (b) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Pengukuran ( o C) Suhu Pengukuran ( o C) (c) (d) Gambar 16 Grafik Perbandingan Suhu Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran pada (a) Pk (b) Pk (c) Pk (d) Pk 19.00

29 19 Tata Ruang Bangunan Eco-house, Simulasi Sebaran Suhu dan Kelembaban Relatif Bangunan Eco-house Tata Ruang Bangunan Eco-house Hasil rancangan tata ruang bangunan Eco-house dapat dilihat pada Gambar 17. Pada Gambar 17 ditunjukkan gambar geometri dari bangunan Ecohouse yang akan disimulasi dengan daerah perhitungan simulasi (computational domain) ditunjukkan pada Tabel 2. Bangunan memiliki dimensi x 6600 mm dengan rancangan tataruang yang dapat dilihat pada Gambar 18 dan Lampiran 1, terdiri atas ruang utama, dua kamar tidur, dapur dan kamar mandi. (a) (b) Gambar 17 Bentuk Bangunan Eco-house (a) tampak depan (b) tampak samping Gambar 18 Tata ruang dan Penempatan Titik-titik Pengukuran pada Bangunan Eco-house Simulasi Perubahan Suhu dan Kelembaban Relatif Di Dalam Tata Ruang Bangunan Eco-house Pada Gambar 18 menunjukkan pemilihan titik-titik meshing yang dipakai sebagai titik-titik pengukuran simulasi rancangan tata ruang pada setiap percobaan 1, 2, 3, dan 4. Ada 24 titik (surface goals) yang disebar di dalam ruangan Ecohouse dalam simulasi dimana setiap titik mewakili keadaan termal ruanganruangan di dalam bangunan. Titik-titik meshing yang dipilih memiliki ketinggian

30 20 yang berbeda-beda yang sejajar dengan sumbu y, dimana y= 50cm, y= 150cm, dan y= 250cm Proses perancangan tata ruang bangunan Eco-house dilakukan dengan memodifikasi bukaan ventilasi (A) yang akan memengaruhi laju total pertukaran udara (Q) di dalam bangunan sampai mencapai kenyamanan termal, dimana dilakukan empat percobaan simulasi rancangan (Lampiran 3), yaitu: 1. Bukaan ventilasi (A) = 0 2. Memberikan ukuran yang sama ke setiap bukaan ventilasi (jendela dan pintu) (A1) dengan ukuran jendela 450x750 mm dan ukuran pintu 1800 x 900mm 3. Ukuran bukaan ventilasi diperbesar dari ukuran sebelumnya (A2>A1) dengan ukuran jendela 600x1500mm dan ukuran pintu 2100 x1000mm 4. Ukuran bukaan ventilasi sama dengan percobaan ketiga dengan penambahan ventilasi atap dan modifikasi bahan bangunan (A2 + Ventilasi atap) Percobaan pertama dimana bukaan ventilasi A=0, seluruh ruangan dibuat tertutup sehingga tidak terjadi pertukaran udara sama sekali. Percobaan kedua, dimana ruangan disimulasi dalam keadaan terbuka dan ukuran semua jendela dibuat sama juga dengan kedua pintu. Pada percobaan ketiga, ukuran bukaan ventilasi dibuat lebih besar dari ukuran sebelumnya agar aliran udara bisa lebih banyak masuk ke dalam ruangan dan percobaan keempat merupakan penyempurnaan dari percobaan ketiga dimana dilakukan penambahan ventilasi atap serta material bangunan yang dipakai, yaitu penggunaan bahan poros medium pada bagian plafon di dalam ruangan dan semua wall didefinisikan terisolasi secara termal terhadap keadaan lingkungan. Modifikasi bahan bangunan pada simulasi dilakukan pada proses empat untuk mendapatkan kenyamanan termal yang lebih sesuai dengan syarat kenyaman termal masyarakat di iklim tropis. Gambar 19 menunjukkan grafik perubahan suhu yang diperoleh setelah melakukan simulasi pada percobaan 1, 2, 3 dan 4 selama 24 jam yaitu titik 3, 8, 13, 16, 19, 22. Titik titik tersebut berada pada sumbu y= 150cm atau berada di tengah-tengah tiap ruangan yang dirancang. Pada Gambar 19 (a) merupakan grafik hasil simulasi percobaan pertama yang dibandingkan dengan suhu lingkungannya, dimana di tiap titik suhu yang diperoleh sekitar o C. Pada Gambar 19 (b) ditunjukkan hasil simulasi percobaan kedua dengan ruangan dalam keadaan terbuka diperoleh suhu o C dan kelembaban relatif 57 86%. Pada percobaan pertama dan kedua hasil diperoleh jauh dari syarat kenyamanan termal dimana tiap titik menunjukkan suhu dan kelembaban dalam ruang yang cenderung mendekati keadaan lingkungannya, suhu yang cenderung fluktuatif dari waktu ke waktu dan kelembaban relatif yang tinggi disebabkan pindah panas konveksi langsung dari luar ke dalam bangunan dan juga terjadi rambat panas konduksi di dinding bangunan akibat radiasi matahari langsung turut memanaskan udara di dalam bangunan.

31 21 Suhu ( o C) Suhu ( o C) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 1:00 Waktu Simulasi (WIB) 4:00 4:00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 1:00 Waktu Simulasi (WIB) 4:00 (a) Percobaan 1 (b) Percobaan 2 Suhu ( o C) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 1:00 4:00 Suhu ( o C) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 1:00 4:00 Waktu Simulasi (WIB) Waktu Simulasi (WIB) (c) Percobaan 3 (d) Percobaan 4 Gambar 19 Perubahan Suhu Udara Lingkungan (biru) dan Hasil Simulasi di dalam Ruangan (6 titik) Selama 24 jam pada Setiap Tahap Percobaan Pada percobaan ketiga yang ditunjukkan oleh Gambar 19 (c) memperlihatkan grafik suhu simulasi yang diperoleh dengan luas bukaan yang lebih besar dari luas bukaan yang sebelumnya dengan suhu hasil simulasi di dalam ruangan cenderung lebih rendah dibanding suhu lingkungannya yaitu sekitar o C. Pada percobaan terakhir, Gambar 19 (d), diperoleh suhu yang mencapai kenyamanan termal, yaitu o C yang menyebar rata di seluruh ruangan bangunan. Pada Gambar 20 (a) diperoleh kelembaban hasil simulasi %, dimana pada saat tersebut tidak ada aliran udara yang masuk ke dalam ruangan. Gambar 20 (b) diperoleh hasil simulasi 57 86%. Pada percobaan kedua bukaan ventilasi bangunan sudah dalam keadaan dialiri udara. Pada percobaan ketiga diperoleh kelembaban relatif 64 72%. Hasil simulasi yang diperoleh sudah hampir mencapai syarat kenyamanan termal walaupun masih terjadi fluktuasi

32 22 suhu (tidak merata) di beberapa ruangan bangunan. Pada percobaan keempat diperoleh suhu hasil simulasi kombinasi efek angin dan efek termal dimana kelembaban relatif cenderung sama setiap ruangan antara % pada Gambar 20 (d) Kelembapan Relatif (%) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 Waktu Simulasi (WIB) 22:00 1:00 4:00 Kelembapan Relatif (%) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 Waktu Simulasi (WIB) 1:00 4:00 (a) Percobaan 1 (b) Percobaan 2 Kelembapan Relatif (%) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 Waktu Simulasi (WIB) 1:00 4:00 Kelembapan Relatif (%) :00 7:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00 Waktu Simulasi (WIB) 1:00 4:00 (c) Percobaan 3 (d) Percobaan 4 Gambar 20 Perubahan Kelembaban Relatif Udara Lingkungan (biru) dan Hasil Simulasi (6 titik) Selama 24 jam pada Setiap Tahap Percobaan Dari hasil simulasi setiap percobaan yang dilakukan, yaitu suhu dan kelembaban relatif yang ditunjukkan pada Gambar 19 dan 20 pada setiap percobaan maka percobaan 4 dipilih sebagai hasi rancangan yang mencapai kenyaman termal, pada subbab selanjutnya akan dijelaskan hasil simulasi CFD pada percobaan 4. Sebaran Suhu dan Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Tata Ruang Bangunan Eco-house Desain tata ruang ini sepenuhnya memakai ventilasi alami dalam penyediaan udara yang sejuk di dalam ruangan, dengan konsep pengaliran udara

33 secara alami dan menyeluruh ke dalam ruangan. Proses perancangan diawali dengan simulasi perancangan tata ruang dengan pemanfaatan efek angin saja pada percobaan pertama sampai ketiga, yaitu udara mengalir dari jendela dan pintu yang terbuka terhadap arah angin, kemudian dilakukan simulasi rancangan dengan pemanfaatan efek termal pada percobaan 4 yaitu penambahan lubang-lubang angin (ventilasi) pada bagian atap bangunan. Bukaan udara terdiri dari satu pintu depan dan pintu belakang, dua jendela kamar tidur, masing-masing satu jendela untuk tiap kamar, satu jendela ruang tamu, dapur dan kamar mandi (Lampiran 1). Setelah pada langkah desain pertama dimana semua dinding tertutup (tidak ada ventilasi) akan terjadi akumulasi panas di dalam bangunan maka dirancang perbaikan disain dengan penambahan ventilasi atap dan modifikasi bahan bangunan menghasilkan distribusi suhu seperti di bawah ini. Pada Gambar 21, rancangan percobaan empat pada pukul dengan efek kombinasi memperlihatkan suhu yang lebih hangat di tengah ruangan dan lebih sejuk dekat aliran masuknya udara dimana terjadi aliran konveksi suhu yang dipengaruhi kecepatan angin dari lingkungan. Suhu terendah dalam ruangan sebesar 21.8 o C dan suhu tertinggi sebesar 25.9 o C. Hasil simulasi kecepatan angin maksimal yang dapat memasuki ruangan sebesar 0.3 m/det hanya berada disekitar jendela ruangan. Kelembaban relatif pada Gambar 22 terlihat udara merata disetiap ruangan bangunan dan tidak berbeda jauh dengan kelembaban relatif 23 lingkungan. Gambar 21 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) Gambar 22 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang Bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan)

34 24 Gambar 23 menunjukkan pukul dimana keadaan ruangan dalam keadaan terbuka dan suhu lingkungan naik menjadi 31 o C serta pada Gambar 24 memperlihatkan RH turun menjadi 67%, pada rancangan ini suhu rendah berada pada bagian bawah ruangan dan semakin ke atas distribusi suhu mendekati suhu lingkungannya. Suhu tertinggi mencapai 30 o C. Pada rancangan dengan efek kombinasi di dalam ruangan terjadi aliran konveksi suhu dari luar ruangan menuju dalam ruangan, menyebabkan keadaan suhu ruangan naik dari waktu sebelumnya mendekati keadaan suhu luar ruangan. Gambar 23 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) Gambar 24 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang Bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) Aliran udara yang hangat dari luar ruangan serta kecepatan angin yang rendah menyebabkan sebagian besar suhu ruangan menjadi hangat. Suhu udara tertinggi pada pukul mencapai 27 o C dan yang suhu terendah di dalam ruangan sebesar 22.8 o C. Suhu udara pada atas ruangan cenderung lebih tinggi dibanding bagian bawah dan tengah ruangan. Kelembaban relatif juga cenderung merata di setiap ruangan, dimana kelembaban relatif di dalam ruangan lebih tinggi dibandingkan lingkungannya. Dari Gambar 25 dapat terlihat bahwa suhu lingkungan hasil masukan simulasi sebesar 32.7 o C dan suhu pada bagian atas bangunan mendekati suhu lingkungan antara o C. Pembuatan lubang-lubang angin pada bagian bawah atap bangunan membantu mengefektifkan ventilasi efek termal pada rancangan ini membuat udara mengalir dari bawah bangunan menuju ke bagian atas bangunan karena adanya gaya apung udara dimana suhu yang tinggi pada saat tersebut mempunyai kerapatan rendah dan mengalir ke bagian atas bangunan yang bersuhu rendah.

35 25 Gambar 25 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) Gambar 26 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang Bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) Suhu pada bagian atas bangunan cukup panas disebabkan berkumpulnya panas yang berasal dari suhu lingkungan dan panas yang juga akan keluar dari dalam bangunan, mengakibatkan efek Chimney terjadi. Pada kondisi ini juga, atap bangunan tidak didefinisikan menjadi real wall sehingga mendapat pengaruh langsung dari panas di lingkungan. Panas tertinggi berada pada 1-2 jam setelah tengah hari, dimana pada pukul 15 suhu udara sekitar bangunan mencapai 35 o C. Pada saat tersebut radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara yang sudah tinggi dan kelembaban udara yang rendah. Suhu tertinggi di dalam bangunan sebesar 31 o C berada pada bagian atas langit-langit bangunan. Pada Gambar 25 menunjukkan penurunan suhu dari bagian atas bangunan (atap dan langit-langit) ke bagian tengah dan bawah bangunan (lantai), ini disebabkan oleh pergerakan angin yang memasuki ruangan dalam bangunan diberi masukan yang banyak baik melalui pintu, jendela dan ventilasi. Ventilasi atap mempengaruhi penurunan suhu di dalam bangunan sehingga perlu ditambahkan agar tidak terjadi akumulasi panas pada ruang di bawah atap. Pemberian lubang dekat langit-langit (ventilasi atap) berguna untuk mengeluarkan udara panas di bagian atas dan dalam ruangan, agar terjadi gerakan angin dan pertukaran udara yang bersih. Pada Gambar 26 terlihat kelembaban relatif udara didapat setelah dilakukan simulasi, sekitar 61% pada lingkungan dan mencapai 63% di dalam bangunan. Pada daerah iklim tropis basah peningkatan kelembaban di dalam ruangan perlu dihindari dengan cara membiarkan konveksi panas yang tidak berlebihan dari lingkungan masuk ke dalam ruangan agar kesehatan penghuni tetap terjaga. Kecepatan angin di daerah iklim tropis lembap

36 26 pada umumnya rendah. Angin dibutuhkan untuk keperluan ventilasi dan kenyamanan penghuni di dalam bangunan. Sistem ventilasi silang akan menjamin gerak udara yang lancar di dalam bangunan, dengan cara memasukkan udara yang bersih dan segar melalui jendela atau lubang-lubang angin di dinding, dan udara kotor dikeluarkan malalui jendela atau lubang angin di dinding yang berhadapan. Pada Gambar 27 menunjukkan suhu udara yang lebih tinggi cenderung berada di bagian atas ruangan, menyebabkan pindah panas konveksi dari bagian atas ke bagian tengah dan bawah ruangan, sehingga suhu udara di dalam ruangan cenderung sama besarnya, sekitar 25.8 o C. Suhu tertinggi di dalam ruangan mencapai 29.5 o C pada bagian langit-langit dan suhu terendah sebesar 25 o C Pada saat itu kecepatan angin 0.4 m/det diluar ruangan. Gambar 27 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) ) Gambar 28 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang Bangunan Eco-house pada Pk Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan) Akibat ruangan sudah dalam keadaan tertutup kembali, angin masuk melalu celah-celah bangunan dan kecepatan angin di dalam ruangan sekita m/det. Timbulnya pergerakan udara walaupun ruangan dalam keadaan tertutup dapat terjadi karena perbedaaan kerapatan udara yang juga akan berpengaruh terhadap suhu udara. Kerapatan udara yang rendah mengakibatkan kecepatan angin dan suhu udara meningkat. Gambar 28 memperlihatkan kelembaban relatif di dalam ruangan lebih tinggi dibandingkan dengan luar ruangan, sekitar 66% diakibatkan ruangan dalam keadaaan tertutup dan merata disetiap ruangan.

37 27 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Perancangan tata ruang bangunan Eco-house yang dapat dihuni petani, didesain dengan memakai data suhu, kelembaban relatif dan kecepatan angin dengan dimensi x 6600 mm yang terdiri dari ruang utama, 2 kamar tidur, kamar mandi dan dapur dengan percobaan 1 tidak menggunakan ventilasi (A=0), percobaan 2 memanfaatkan ventilasi (A1), percobaan 3 memanfaatkan ventilasi yang ukurannya lebih besar daripada ukuran ventilasi sebelumnya (A2>A1) dan percobaan 4 memberi penambahan ventilasi atap dan modifikasi bahan bangunan Hasil simulasi tata ruang bangunan Eco-house merupakan hasil simulasi CFD yang telah divalidasikan pada Lab TLB yang dilakukan selama 24 jam dan diambil contoh pada pukul 04.00, 09.00, pukul 14.00, dan pukul dimana nilai validasi mencapai 98% lalu dengan proses yang sama diterapkan pada simulasi tata ruang bangunan Eco-house, dengan percobaan 1 diperoleh perubahan suhu o C dan RH 57-86%, percobaan 2 diperoleh perubahan suhu o C dan RH 57-86%, percobaan 3 diperoleh perubahan suhu o C dan RH 64-72% dan percobaan 4 diperoleh perubahan suhu o C dengan RH % Bangunan Eco-house dengan penambahan ventilasi atap pada percobaan 4, merupakan rancangan yang lebih memenuhi syarat kenyamanan termal penghuni di iklim tropis lembap dengan rataan sebaran suhu sebesar o C dan kelembaban relatif udara 65% juga kecepatan angin m/detik. Orientasi bangunan dengan rancangan ventilasi efek kombinasi yang tegak lurus terhadap pergerakan angin (cross ventilation) dan penambahan ventilasi atap mendukung distribusi suhu udara yang nyaman di dalam bangunan. Saran 1. Perancangan tata ruang bangunan Eco-house yang dapat memenuhi persyaratan kenyaman termal di daerah tropis dapat diteliti kembali dengan menambahkan usaha-usaha dalam pencapaian kenyaman termal seperti adanya vegetasi disekitar bangunan, kombinasi masukan udara yang lebih banyak dan tata ruang di dalam bangunan yang dimodifikasi 2. Perancangan dengan luas bukaan (A) yang bervariasi pada inlet ventilasi akan memperlihatkan pengaruh pindah panas dari lingkungan ke dalam bangunan 3. Modifikasi ventilasi alami seperti penambahan lubang-lubang angin di atas pintu maupun jendela bangunan diperlukan penggunaannya pada saat ruang dalam keadaan tertutup dan agar bisa dijadikan perbandingan dalam proses desain bangunan Eco-house yang lebih nyaman.

38 28 4. Penggunaan material yang lebih spesifik, seperti jenis beton, kayu dan material bangunan Eco-house akan menunjukkan pindah panas konveksi di dalam bangunan akan mendekati keadaan yang sebenarnya DAFTAR PUSTAKA Frick Heinz Dasar-Dasar Arsitektur Ekologis. Yogyakarta: Penerbit Kanisius Karyono TH Green Archictecture (Pengantar Pemahaman Arsitektur Hijau di Indonesia). Jakarta: Rajawali Pers. Karyono, TH. Penelitian Kenyamanan Termis Di Jakarta Sebagai Acuan Suhu Nyaman Manusia Indonesia. Teknik Arsitektur 29 (1): Lechner Norbert Heating, Cooling, Lighting. Jakarta: Rajawali Pers. Mannan, Abdul Faktor Kenyamanan Dalam Perancangan Bangunan. Ichsan Gorontalo 2 (1): Mudiastuti S Analisis Tatanan Ruang dan Aliran Udara Dalam Bangunan Eco-House di Pemukiman Pedesaan [desertasi]. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Ropik A Kemungkinan Pembuatan Eco-House di Bogor [skripsi]. Bogor: Program Sarja, Institut Pertanian Bogor. Soegijanto Bangunan Di Indonesia Dengan Iklim Tropis Lembap Ditinjau Dari Aspek Fisika Bangunan. Jakarta: DIKTI. Talarosha, Basaria Menciptakan Kenyamanan Termal Dalam Bangunan. Sistem Teknik Industri 6 (3): Thompson G, Steiner F Ecological Design Planning. New York: John Willey & Sons, Inc. Tuakia F Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung: Informatika. Versteeg HK. Malalasekera W An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Harlow, Essex, England and Longman Scientific & Technical New York Yuwono A, Hasbullah R Sistem Ventilasi. In: Farm and Structure Environment: Departemen Teknik Pertanian. Bogor: IPB

39 LAMPIRAN 29

40 Lampiran 1 Bangunan Eco-house Eco-house TOP view Eco-house RIGHT view Eco-house FRONT view Eco-house TRIMETRIC view FINISH: REVISION DRAWN CHK'D APPV'D NAME Nuel Zega Dr. Lilik P SIGNATURE DATE Maret 2013 TITLE: Bangunan Eco-house MFG Q.A DWG NO. A4 WEIGHT: SCALE:1:50 SHEET 1 OF 2

41 Lampiran 2 Bangunan Eco-house (Jenis Percobaan) Percobaan Percobaan Percobaan Percobaan FINISH: REVISION DRAWN CHK'D APPV'D NAME Nuel Zega Dr. Lilik P SIGNATURE DATE Maret 2013 TITLE: Bangunan Eco-house MFG Q.A DWG NO. A4 WEIGHT: SCALE:1:50 SHEET 1 OF 1

42 Lampiran 3 Bangunan Eco-house (dimensi) Bedroom Bathroom 2100 Kitchen Bedroom Living Room Roof Vent FINISH: REVISION DRAWN CHK'D APPV'D NAME Nuel Zega Dr. Lilik P SIGNATURE DATE Maret 2013 TITLE: Bangunan Eco-house (dimensi) MFG Q.A DWG NO. A4 WEIGHT: SCALE:1:50 SHEET 2 OF 2

43 Lampiran 4 Perubahan Suhu, Kecepatan Angin dan Kelembapan Relatif Lab. TLB Gambar Perubahan Suhu (atas) Kecepatan Angin (tengah) dan Kelembaban Relatif (bawah) Lab TLB pada Pk Gambar Perubahan Suhu (atas) Kecepatan Angin (tengah) dan Kelembaban Relatif (bawah) Lab TLB pada Pk Gambar Perubahan Suhu (atas) Kecepatan Angin (tengah) dan Kelembaban Relatif (bawah) Lab TLB pada Pk Gambar Perubahan Suhu (atas) Kecepatan Angin (tengah) dan Kelembaban Relatif (bawah) Lab TLB pada Pk 19.00

44 Lampiran 5 Tabel Keakuratan Hasil Simulasi CFD pada Lab. TLB Titik Pukul 04 Pukul 09 Pukul 14 Pukul 19 Pukul 24 Titik T. Ukur T. Simulasi Error (%) Validasi (%) T. Ukur T. Simulasi Error (%) Validasi (%) T. Ukur T. Simulasi Error (%) Validasi (%) T. Ukur T. Simulasi Error (%) Validasi (%) T. Ukur T. Simulasi Error (%) Validasi (%) Maks. Value Maks. Value Maks. Value Maks. Value Maks. Value Min. Value 96.2 Min. Value 98.0 Min. Value 98.9 Min. Value 97.5 Min. Value 96.6 Ave. Value 98.7 Ave. Value 99.5 Ave. Value 99.8 Ave. Value 99.8 Ave. Value 99.4

45 41 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Padangsidimpuan, 22 Agustus 1989 dari ayah Bezaro Zega dan ibu Erlina Baeha. Tahun 2008, penulis lulus dari SMA Negeri 4 Padangsidimpuan dan pada tahun yang sama diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) di Departemen Teknik Pertanian (sekarang bernama Teknik Mesin dan Biosistem) dengan Mayor Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan pernah aktif di berbagai kegiatan organisasi, antara lain Persekutuan Mahasiswa Kristen (PMK IPB) di Komisi Kesenian, IPB Debating Community (IDC) sebagai staf External Competition ( ) dan Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) sebagai staf Divisi Riset dan Keteknikan ( ). Penulis juga pernah menjadi adjudicator di Java Overland Varsities English Debate di Universitas Airlangga, Surabaya (2009). Bulan Juni Agustus 2011 penulis melaksanakan Praktik Lapang di Gesellchaft fur Internationale Zusammenarbeit (GIZ) FORCLIME Komponen 3, dengan judul Laporan Aspek Lingkungan dan Bangunan Mikrohidro Serta Pemanfaatannya kepada Masyarakat di DAS Embaloh Kabupaten Kapuas Hulu, Kalimantan Barat.