BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 PENDAHULUAN Bhatia (2016) menyatakan bahwa tujuan dasar sistem HVAC adalah untuk menyediakan kondisi termal interior yang mayoritas dapat diterima oleh penghuni. Kadang-kadang sistem HVAC hanya memerlukan udara yang dipindahkan dengan kecepatan yang memadai untuk meningkatkan pendinginan (air velocity). Akan tetapi, yang lebih umum lagi, memberikan kenyamanan penghuni mengharuskan sistem HVAC menambahkan atau menghapus panas ke atau dari ruang gedung (heat gain). Selain itu, biasanya diperlukan kelembaban untuk dikeluarkan dari ruang (humidity). Untuk menjelaskan bagaimana interaksi termal mempengaruhi kenyamanan manusia, pertama-tama perlu menentukan panas dan suhu. Panas dapat didefinisikan sebagai energi yang transit dari benda dengan suhu tinggi ke benda dengan suhu lebih rendah. Perpindahan panas ini bisa terjadi dengan mekanisme konduksi, konveksi dan radiasi. 1. Panas sensibel adalah jenis panas yang meningkatkan suhu udara. Ini adalah ekspresi eksitasi molekuler dari massa padat, cair, atau gas yang diberikan 2. Panas laten adalah panas yang hadir dalam kelembaban udara yang meningkat. Ini mengubah materi dari padat ke cair atau dari cairan ke gas

2 6 Sistem HVAC yang baik harus dapat memenuhi tuntutan beban pendinginan ruangan yang akan dikondisikan. Terjadinya beban pendinginan bisa dipengaruhi dari berbagai faktor, antara lain: cuaca, kondisi bangunan, volume bangunan, bentuk struktur bangunan dan bahan bangunan yang digunakan, besarnya udara ventilasi yang diperlukan, fungsi bangunan, jumlah penghuni, kondisi udara luar, dan kondisi udara dalam ruangan (Setiawan et al., 2014). Faktor-faktor kenyamanan dari suatu ruangan sangat ditentukan oleh letak, karaktristik dan kegiatan yang ada di dalamnya. Untuk mengatasi hal tersebut diperlukan suatu alat pendingin dengan beban pendinginan yang sesuai dengan kebutuhan ruang tersebut (Ridhuan dan Rifai, 2013). Dari perhitungan masing-masing faktor yang didapat menghasilkan suatu nilai untuk memperoleh beban maksimum total pendinginan sehingga instalasi tata udara yang dipasang mempunyai kapasitas pendinginan yang tepat dan mampu beroperasi dengan baik (Setiawan et al., 2014).

3 7 2.2 PROSEDUR PERHITUNGAN a. Heat Gain Konduksi Melalui Dinding Bagian Luar dan Atap Heat gain sensibel melalui dinding bagian luar atau atap dapat dihitung dengan fungsi transfer konduksi. Menggunakan sol-udara suhu pada waktu t, dinyatakan dengan T sol, t, untuk menyatakan kombinasi suhu eksitasi dari suhu di luar ruangan dan panas matahari pada permukaan luar dari dinding eksterior atau atap, dan suhu ruangan konstan T r. koefisien fungsi transfer konduksi dihitung berdasarkan permukaan luar koefisien transfer panas h o = 17 W/m 2 C, dan permukaan dalam ruangan koefisien transfer panas h i = 8.3 W/m 2 C. Heat gain eksternal melalui dinding eksterior atau atap pada waktu t, dinyatakan dengan q e, t, W, dapat dihitung sebagai berikut: (2.1) Dimana: = absorptansi permukaan untuk radiasi matahari = total insiden radiasi matahari pada permukaan, W/m 2 = koefisien fungsi transfer konduksi, W/m 2 C = suhu udara luar, C = suhu permukaan, C A = luas permukaan interior dinding atau atap, m 2 = emiten hemispherical permukaan = perbedaan antara radiasi panjang gelombang di permukaan dari langit dan radiasi yang dipancarkan oleh blackbody di suhu udara luar, W/m 2

4 8 b. Heat Gain Melalui Plafon, Lantai, dan Dinding Partisi Bagian Dalam Jika suhu ruang T ad berdekatan, C, adalah konstan, atau variasi dari T ad kecil, heat gain sensibel yang disebabkan oleh perpindahan panas dari ruang yang berdekatan melalui langit-langit, lantai, atau dinding partisi interior pada waktu t, dinyatakan dengan q e, t, W, dapat dihitung dengan rumus: (2.2) Dimana: U = koefisien perpindahan panas total dari langit-langit, lantai dan dinding partisi, W/m 2 C A = luas permukaan langit-langit, lantai, dan dinding partisi, m 2 Jika suhu ruang T ad berdekatan, t akan bervariasi dengan waktu, maka heat gain sensibel ditransfer melalui langit-langit, lantai, atau dinding partisi pada waktu q p, t, (W), dapat dihitung dari persamaan. (2.1), kecuali q e, t harus diganti dengan q p, t, q e, t n diganti oleh q p, t - n, dan T SOL, t digantikan oleh T ad, t. Kemudian q p, t n dinyatakan heat gain sensibel dari langit-langit, lantai, atau dinding partisi pada waktu t - n, (W); dan T ad, t menunjukkan suhu ruang yang berdekatan, ( C). c. Solar Heat Gain dan Heat Gain Konduksi melalui Jendela Kaca Meskipun aliran panas yang masuk dari radiasi matahari diserap oleh jendela kaca dan aliran panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu luar ruangan dan dalam ruangan biasanya digabung, akan lebih sederhana dan lebih akurat untuk memisahkan heat gain komposit ini menjadi solar heat gain dan heat gain konduksi; keduanya heat gain sensibel. Solar heat gain q so,t, (W), dinyatakan dengan rumus: q so,t = A s,t (SC)(SHGF t ) + A sh,t (SC)(SHGF sh,t ) (2.3)

5 9 Dimana: t = bagian dari jendela kaca yang diterangi matahari pada waktu t, m 2 A sh,t = bagian dari jendela kaca yang terjadi bayangan pada waktu t, m 2 SC = koefisien bayangan SHGF t = faktor solar heat gain pada waktu t, mempertimbangkan orientasi, lintang, bulan, dan jam, W/m 2 SHGF sh,t = faktor solar heat gain untuk bagian yang berbayang pada waktu t, mempertimbangkan orientasi, lintang, bulan, dan jam, W/m 2 Biasanya, SHGF t dari permukaan vertikal yang menghadap orientasi utara dianggap sebagai SHGFs h,t. Heat gain konduksi disebabkan oleh perbedaan suhu luardalam ruangan q win, t, Btu / h (W), dinyatakan dengan rumus: q win,t = U win A win (T o,t -T r ) (2.4) Dimana: U win = koefisien perpindahan panas total dari jendela termasuk kaca dan bingkai (Tabel 2.1), W/m 2 C A win = luas kotor dari jendela termasuk kaca dan bingkai, m 2 T o,t = suhu di luar ruangan pada waktu (t), mempertimbangkan bulan, jam, dan lokasi, C d. Internal Heat Gain Internal heat gain sensibel terdiri dari heat gain sensibel dari orang, lampu dan mesin. Manusia melepaskan panas sensibel dan panas laten ke ruangan terkondisi. Bagian radiasi dari heat gain sensibel adalah sekitar 70% ketika lingkungan di dalam ruangan pada ruangan terkondisi dijaga dalam zona nyamanan. Heat gain sensibel ruangan

6 10 untuk penghuni yang menempati ruangan terkondisi pada waktu (t), dinyatakan dengan q sp, t, W, dapat dihitung dengan rumus: q sp,t = N p,t (SHG p ) (2.5) Dimana: Np,t = jumlah penghuni pada ruangan terkondisi pada waktu (t) SHG p = heat gain sensibel untuk setiap orang, W Heat gain laten ruangan untuk penghuni yang menempati ruangan terkondisi pada waktu (t), dinyatakan dengan q lp,t, W, dinyatakan dengan rumus: q lp,t = N p,t (LHG p ) (2.6) Dimana: LHG p = heat gain laten dari masing-masing orang, W Tabel 2.2 daftar heat gain dari penghuni di dalam ruangan terkondisi, sebagai ringkasan dari ASHRAE Handbook 1989, Fundamentasl. Pada Tabel 2.2, total panas adalah jumlah panas sensibel dan laten. Panas disesuaikan berdasarkan pada persentase distribusi normal dari pria, wanita, dan anak-anak di antara penghuni. Heat gain sensibel dari lampu tergantung pada jenis instalasinya. Untuk lampu yang dipasang di dalam ruang terkondisi, heat gain sensibel dilepaskan dari lampu dan elemen pemancar q s, l adalah sama dengan panas sensibel yang dilepaskan ke q e, l ruangan terkondisi, Btu/h (W); keduanya tergantung pada kriteria pencahayaan, jenis dan efisiensi lampu. dan dapat dihitung dengan rumus: q el = W F ul F sa (2.7) Dimana: q el = heat gain, W W = total watt lampu,w F sa = faktor yang diperbolehkan untuk perlengkapan lampu

7 11 F ul = rasio dari watt yang digunakan untuk instalasi watt (1.0) Dalam persamaan (2.7), F sa menunjukkan faktor yang diperbolehkan untuk perlengkapan lampu, seperti kerugian ballast. Untuk rapidstart 40-W perlengkapan neon, F sa bervariasi dari 1.18 sampai 1.3 dengan nilai yang direkomendasikan 1.2 (ASHRAE Handbook 1993, Fundamentals).

8 Tabel 2.1 Rata rata Heat Gain dari Penghuni di dalam Ruangan Terkondisi Dengan mesin, semua masukan energi dikonversi menjadi energi panas, misalnya, dalam kumparan motor, ruang bakar, gesekan permukaan, bahkan pada komponen yang mengalami pekerjaan mekanik. Sebagian dari panas yang dilepaskan dapat habis secara lokal oleh sistem ventilasi mekanis. 12

9 13 Di dalam banyaknya aplikasi industri, heat gain sensibel ruangan karena beban mesin ketika motor terletak di dalam ruangan terkondisi q em, W, dapat dihitung dengan rumus: (2.8) Dimana: = panas equivalent dari motor atau peralatan yang beroperasi, W P = rating daya motor, W E M = efisiensi motor, fraksi desimal <1.0 F UM = faktor penggunaan motor, 1.0 atau fraksi desimal <1.0 = faktor beban motor, 1.0 atau fraksi desimal <1.0 Faktor penggunaan motor dapat diterapkan saat penggunaan motor yang berselang, dengan penggunaan yang tidak terlalu sering selama semua jam operasi. Untuk aplikasi konvensional, nilainya adalah 1.0.

10 14 Tabel 2.2 Efisiensi Nominal Minimum untuk Motor Listrik yang Umum Heat gain sensibel dari peralatan q s, W, dapat dihitung dengan rumus. Dimana: q s = q input F U F R (2.9)

11 15 = nilai energi input, W F U = usage factor F R = radiation factor e. Infiltrasi Infiltrasi adalah aliran ke dalam yang tidak terkendali dari udara luar melalui celahcelah dan lubang di selubung bangunan karena perbedaan tekanan di selubung. Perbedaan tekanan mungkin disebabkan oleh salah satu faktor berikut: 1. Tekanan angin 2. Efek stack karena perbedaan suhu di luar ruangan dan di dalam ruangan 3. Ventilasi mekanis Di musim panas, untuk bangunan komersial bertingkat rendah yang memiliki jendela eksteriornya disegel dengan baik, dan jika tekanan positif dipertahankan di dalam ruangan terkondisi ketika sistem udara beroperasi, biasanya infiltrasi dapat dianggap nol. Untuk bangunan bertingkat tinggi, infiltrasi harus dipertimbangkan dan diperhitungkan di musim panas dan musim dingin. Begitu laju aliran volume udara masuk, inf, m 3 /min ditentukan, heat gain sensibel ruangan dari infiltrasi q inf, W, dapat dihitung dengan rumus: q s, inf = 60 inf o c pa (To - T r ) (2.10) Dimana: o = densitas udara luar ruangan, kg/m 3. Heat gain laten dari infiltrasi q l, inf, W, dapat dihitung dengan rumus: q l,inf = 60 inf o (w o - w r )h fg, 32 (2.11) Dimana: w o,w r = rasio kelembaban udara luar dan udara ruang, masing-masing, kg/kg

12 16 h fg, 32 = panas laten dari penguapan pada 0 C, J/kg f. Space Cooling Load Space cooling load mencakup semua heat gain laten q rs, heat gain sensibel konveksi, heat gain sensibel infiltrasi q rs,s, dan heat gain sensibel yang komponen konvektifnya dapat dipisahkan dari komponen radiatif, seperti air-to-air heat gain dari jendela, lampu, dan orang. Space cooling load Q rc, t, Btu/h (W), dapat dihitung dengan rumus: Q rc,t = Q rs,t + Q in,t + Q l,t = Q s,t + Q l,t (2.12) Dimana: Q s,t dan Q l,t = beban ruangan sensibel dan laten, masing-masing, W g. Cooling Coil Load Berdasarkan prinsip keseimbangan panas, beban coil pendingin dinyatakan dengan. Total entalpi memasuki udara = total entalpi meninggalkan udara + beban pendinginan coil (atau kapasitas pendinginan) + energi panas kondensat Karena energi panas kondensat kecil dan dapat diabaikan, beban coil pendingin Q cc, Btu/h (W), dapat dihitung dengan rumus: Q cc = 60 s s (h ae - h cc ) (2.13) Dimana: s = laju aliran volume dari udara suplai, m 3 /s s = densitas dari udara suplai, kg/m 3 h ae, h cc = entalpi yang masuk ke udara dan udara terkondisi meninggalkan coil, masing - masing, J/kg Beban cooling coil sensibel Q cs, W, adalah:

13 17 Q cs = 60 s s c pa (T ae - T cc ) (2.14) Dimana: T ae, T cc = suhu yang masuk ke udara dan udara terkondisi meninggalkan coil, masingmasing, C. c pa = panas spesifik dari udara lembab, J/kg. C Dan beban coil laten Q cl, W, adalah: Q cl = 60 s s (w ae - w cc )h fg, 32 (2.15) Dimana: W ae, W cc = rasio kelembaban yang masuk ke udara dan udara meninggalkan coil, masing - masing, kg/kg h fg, 32 = panas laten dari penguapan pada 0 C, J/ kg Dapat juga dihitung dengan rumus: Q cc = Q cs + Q cl (2.16) Cara lainnya, beban coil pendingin sensibel dapat dihitung dengan rumus: Q cs = Q rs + q s, s + q r, s + Q o, s (2.17) Dimana: q s, s, q r, s = suplai dan heat gain sistem return (keduanya adalah beban pendinginan), W Qo, s = beban sensibel dari konsumsi udara luar, W Dan beban coil laten dapat dihitung dengan rumus: Q cl = Q rl + Q o, l (2.18) Dimana: Q o, l = beban laten dari konsumsi udara luar, W.

14 18 Heat gain sistem suplai terdiri dari utamanya heat gain daya kipas suplai q sf dan heat gain duct suplai q sd ; dan heat gain sistem return terdiri dari heat gain daya kipas return q rf, heat gain return duct q rd, dan heat gain langit-langit plenum q rp, semua dalam W. 2.3 PANAS KONVEKSI DAN RADIASI Heat gain adalah bertambahnya panas dalam sebuah ruangan hasil dari pemanasan langsung oleh radiasi matahari dan radiasi panas oleh sumber lainya seperti lampu, peralatan, mesin, atau orang (McGraw-Hill, 2003). Heat gain dapat berasal dari sumber panas yang masuk ruangan terkondisi dari luar ruangan ataupun dari panas yang dilepaskan dari dalam ruangan, heat gain dari sebuah ruangan yang terkondisi dapat dibedakan menjadi dua: panas konveksi dan panas radiasi, seperti pada gambar Ketika radiasi matahari mengenai permukaan luar tembok, kebanyakan radiasi panasnya diserap oleh tembok, hanya sebagian kecil yang terpantul. Setelah terserap, suhu permukaan luar dari tembok semakin meningkat. Jika tembok dan ruangan yang terkondisi awalnya pada keadaan kesetimbangan termal, maka disana terjadi perpindahan panas konveksi dan panas radiasi dari permukaan tembok ke udara dan permukaan lainnya. Sementara itu, perpindahan panas karena konduksi berasal dari permukaan bagian dalam dari tembok. Panas yang tersimpan di dalam tembok dilepaskan ke udara ketika suhu permukaannya turun di bawah suhu bagian dalam tembok.

15 19 Gambar 2.1 Panas Konveksi dan Radiasi pada Ruangan Terkondisi dan Suhu dari Permukaan Interior (Sumber: Wang, 2001) Untuk menjaga suhu udara yang telah diatur, panas yang telah terkonveksi atau dilepaskan ke ruangan terkondisi harus dihilangkan sesegera mungkin. 2.4 BEBAN DARI RUANGAN DAN PERALATAN Perpindahan panas sensibel dan laten antara udara dan lingkungan sekitar dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Space heat gain qe, dalam W, mewakili tingkat dimana panas memasuki ruangan terkondisi. Berasal dari external source atau dilepaskan ke udara dari internal source pada selang waktu yang diberikan. 2. Space cooling load, biasanya secara sederhana disebut cooling load Qrc, W, adalah tingkat dimana panas harus dihilangkan dari ruangan terkondisi begitu pula untuk menjaga suhu konstan dan relative humidity yang dapat diterima. Cooling load sensibel sama dengan jumlah dari perpindahan panas konveksi dari permukaan selubung gedung, penghuni dan peralatan.

16 20 3. Space heating load Qrh, W, adalah tingkat dimana panas harus ditambahkan ke ruangan terkondisi untuk menjaga suhu tetap konstan dan relative humidity yang spesifik. 4. Space heat extraction rate Qex, W, adalah tingkat dimana panas sebenarnya dihilangkan dari udara terkondisi oleh sistem tata udara. Tingkat ekstraksi panas sensibel sama dengan cooling load sensibel hanya ketika suhu udara tetap konstan. 5. Coil load Qc, W, adalah tingkat perpindahan panas pada coil. Cooling coil load Qcc, W, adalah tingkat dimana panas dihilangkan oleh chilled water yang mengalir melalui coil atau yang diserap oleh refrigerant di dalam coil. 6. Heating coil load Qch, W, adalah tingkat dimana panas ditambahkan ke udara terkondisi dari air panas, uap, atau elemen pemanas elektrik di dalam coil. 7. Refrigerating load Qrl, W, adalah tingkat dimana panas diserap oleh refrigerant pada evaporator. Untuk sistem hydronic yang terpusat, refrigerating load adalah jumlah dari coil load ditambah chilled water piping heat gain, heat gain daya pompa dan heat gain tangki penyimpanan. Untuk kebanyakan water systems di gedung gedung komersial, pemipaan air dan heat gain daya pompa hanya sekitar 5 to 10 persen dari coil load. Pada sistem pengkondisi udara menggunakan DX coil (Direct Expansion coil), refrigerating load sama dengan DX coil load. Heat gain sensibel dari ruangan terkondisi tidak sama dengan cooling load sensibel karena adanya penyimpanan panas radiasi di dalam struktur gedung. Seperti dalam fenomena hasil cooling load yang lebih kecil dari heat gain pada nilai maksimumnya pada saat siklus harian. Jika relative humidity ruangan dijaga sekitar nilai konstan, efek penyimpanan dari embun di dalam selubung bangunan dapat diabaikan. Kemudian heat gain laten dari ruangan akan menjadi sama seperti cooling load laten dari ruangan.

17 PERHITUNGAN COOLING LOAD DAN COIL LOAD Komponen Cooling Load Perhitungan cooling load untuk mendesain sistem pengkondisi udara utamanya digunakan untuk menentukan volume aliran dari sistem tata udara dan juga untuk menentukan coil load dan refrigeration load dari suatu perangkat ke ukuran perangkat HVAC dan untuk menyediakan masukan ke sistem untuk kegunaan perhitungan energi agar dapat memilih desain alternatif yang optimal. Cooling load biasanya dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori: external dan internal. a. External Cooling Load Beban yang terjadi karena heat gain yang berasal dari luar dan masuk ke dalam ruangan terkondisi melalui selubung bangunan atau rangka bangunan dan partisi dinding. Berikut adalah sumber beban yang berasal dari luar ruangan: 1. Heat gain yang masuk melalui bagian luar dindidng dan atap 2. Solar heat gain yang ditranmisikan melalui penetrasi 3. Heat gain konduksi yang datang melalui penetrasi 4. Heat gain yang masuk dari partisi dindidng dan pintu bagian dalam ruangan 5. Masuknya udara luar ke dalam ruangan terkondisi b. Internal Cooling Load Beban yang terjadi karena adanya pelepasan panas sensibel dan laten dari sumper panas di dalam ruangan terkondisi. Berikut adalah sumber beban yang berasal dari dalam ruangan: 1. Orang 2. Lampu penerangan 3. Mesin Semua heat gain sensibel yang masuk kedalam ruangan terkondisi mewakili panas radiasi dan panas konveksi kecuali udara yang masuk keruangan. Panas radiasi menyebabkan penyimpanan panas di dalam struktur bangunan, merubah bagian dari heat gain menjadi cooling load dan membuat perhitungan cooling load lebih rumit.

18 22 Heat gain laten adalah heat gain berasal dari transfer uap dari penghuni ruangan, mesin dan udara yang masuk ke ruangan. Jika efek penyimpanan uap diabaikan, semua panas yang dilepaskan secara langsung ke ruangan akan dianggap sebagai cooling load Komponen dari Cooling Coil Load Jika heat gain konduksi dari kerangka coil dan penyangga diabaikan, cooling coil load terdiri dari beberapa komponen berikut. Saat musim panas siklus pengkondisi udara O-m-cc-s-r-rf-m dari volume konstan suplai udara, single supply duct dan zona tunggal. 1. Space cooling load Qrc, termasuk beban sensibel dan laten 2. Supply system heat gain qss, berasal dari supply fan heat gain qsf, dan supply duct heat gain qsd 3. Return system heat gain qrs, berasal dari lampu penerangan dan plafon qrp, return duct qrd dan return fan qrf jika ada. 4. Beban sensibel dan laten yang berasal dari tingkat ventilasi bagian luar Qo dapat memenuhi kebutuhan dari penghuni dan yang lainya. Siklus pengkondisi udara pada saat musim panas O-m-cc-s-r-rf-m terdiri dari proses pencampuran adiabatik O-m-rf, pendinginan dan proses dehumidifikasi m-cc, proses sistem suplai heat gain cc-s, proses pengkondisian ruangan r-s, dan proses sistem return heat gain r-rf. disini, O menunjukan keadaan dari udara luar, m adalah campuran dari udara luar dan udara tersirkulasi, cc adalah udara terkondisi meninggalkan coil, s adalah suplai udara, r adalah ruangan terkondisi, dan rf adalah udara tersirkulasi. Semua cooling load dan heat gain dalam W. Biasanya, suplai dan return system heat gain keduanya adalah beban sensibel. Komponen ini diserap oleh supply air dan return air, dan muncul sebagai beban pendinginan dan dehumidifikasi pada cooling coil disaat musim panas.

19 23 Gambar 2.2 Perbedaan Cooling Load dengan Cooling Coil Load pada Grafik Psycometric (Sumber: Wang, 2001) 2.6 SISTEM HEATING VENTILATION AND AIR CONDITIONING (HVAC) Sistem tata udara biasa disebut sistem pengkondisian udara atau sistem HVAC. Sistem HVAC merupakan salah satu sistem pemanas, sirkulasi udara, dan pendingin yang ada, pada umumnya dirangkum dalam satu sistem. Tujuan dari sebuah sistem HVAC adalah untuk memberikan sebuah lingkungan yang nyaman untuk penghuninya dengan mengkondisikan variabel dalam udara ruangan yang meliputi: temperature, humidity, air velocity, dan cleanliness, dan menyebarkannya ke seluruh gedung. Variabel variabel udara yang diatur pada sistem HVAC adalah sebagai berikut:

20 Suhu (Temperature) Secara umum berarti suhu dry-bulb, yang mengindikasi panas dan dingin. Derajat suhu harian adalah cara yang digunakan untuk membantu mengidikasikan panas atau dingin yang diperlukan untuk setiap harinya. Kenyamanan suhu menurut ASHRAE (the American Societe Of Heating, Refregerating, and Air Conditioning Engineers) adalah 21 C (70 F) 29,5 C (85 F). Di Indonesia juga terdapat standar umum yang digunakan untuk menentukan suhu yang nyaman, yang digunakan dalam suatu ruangan adalah 25 C ± 1 C, Standar Nasional Indonesia (2011) Kelembaban (Humidity) Menggambarkan rasio kelembaban yaitu istilah yang digunakan menunjukan presentasi kadar uap air di udara. Kelembaban udara ini bergantung pada suhu udara. Udara yang panas atau hangat mengandung uap air lebih banyak dari pada udara dingin. Kelembaban relativ/relative humidity ratio atau perbandingan dari jumlah uap air di udara dengan jumlah uap air yang paling baik pada suhu sama. Kelembaban relatif dimana manusia merasa nyaman adalah 40%-60% dari jumlah total uap air di udara dengan kelembaban relative 60% ± 10% Kecepatan Udara (Air Velocity) Berdasarkan standar dari ASHRAE dan SNI maka nilai air velocity adalah sebesar 0.15 m/s. Air flow yang terlalu cepat dapat menyebabkan gangguan termal, saat air flow terlalu lambat dapat menyebabkan pencemaran, atau suhu ruangan menjadi naik.

21 Kebersihan (Cleanliness) Selama ruang udara tercemar oleh penguapan manusia, asap rokok, pembakaran, atau zat-zat yang tersebar dari material gedung, udara harus dicairkan melalui ventilasi. Zat-zat yang diatur dalam masa cleanliness yang meliputi partikel yang mengapung, karbon monoksida, karbon dioksida, dan formaldehyde. 2.7 FUNGSI SISTEM HEAT VENTILATION DAN AIR CONDITIONING Pengkondisian udara merupakan salah satu hal yang paling penting dalam suatu industri atau gedung. Karena dengan sistem pengkondisian udara yang baik akan menghasilkan udara segar sehingga diperoleh kenyamanan yang baik bagi manusia, mesin maupun lingkungan yang berada dilingkungan sekitar. Karena dengan tingkat kenyamanan yang baik akan meningkatkan kinerja dari manusia maupun mesin yang digunakan. Fungsi sistem HVAC pada umumnya dibagi menjadi dua golongan utama, yaitu: a. Penataan udara untuk kenyamanan Mengkondisikan udara pada ruangan untuk memberikan kenyamanan kerja bagi orang yang melakukan kegiatan tertentu. Diterapkan pada bangunan atau ruangan dimana manusia merupakan faktor yang dominan dalam peruntukan huniannya seperti gedung perkantoran, pertokoan, rumah sakit, hotel, apartemen, kereta dan lain-lain. b. Penataan udara untuk industri Mengkondisikan udara dalam ruangan karena diperlukan oleh proses bahan peralatan atau barang yang ada didalamnya. Diterapkan pada bangunan atau ruangan dimana proses atau barang merupakan faktor yang dominan dalam huniannya, seperti produksi obat-obatan, pengawet makanan, ruang komputer dan lain-lain.

22 KOMPONEN UTAMA HVAC a. Motor Pompa Pendingin Motor pompa pendingin fungsinya adalah untuk mensuplai air yang akan digunkan oleh chiller untuk menghasilkan air dingin dan juga untuk mensuplai ke AHU (Air Handling Unit). b. Chiller Merupakan mesin pendingin yang merupakan bagian penting dalam sistem HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning). Air yang disuplai oleh chiller ini akan didistribusikan ke unit-unit AHU (Air Handling Unit). c. AHU (Air Handling Unit) Yaitu merupakan alat pengolahan udara yang memiliki cooler (pendingin) dan heater (pemanas) yang berbentuk pipa-pipa yang dibentuk seperti anyaman, sehingga udara yang melewati pipa pada AHU (Air Handling Unit) akan mengalami perpindahan kalor yang kemudian digunakan untuk mengkondisikan udara dalam plant/ruangan. d. Plant Merupakan ruangan-ruangan yang nilai variabel udaranya (temperature, humidity, dan air velocity) diatur sesuai dengan kondisi dan fungsinya yang ada pada ruangan. 2.9 AHU (AIR HANDLING UNIT) Air Handling Unit merupakan bagian penting dalam sistem HVAC sebagai alat penghantar udara yang telah dikondisikan dari sumber dingin ataupun panas ke ruang yang akan dikondisikan. AHU adalah komponen penukar kalor dimana air dingin hasil pendinginan oleh evaporator disirkulasikan ke coil yang ada pada AHU, kemudian udara dinginnya disirkulasikan oleh blower dan didistribusikan ke ruangan melalui

23 27 ducting. Komponen utama AHU terdiri dari motor, blower, coil dan filter. Penggunaan AHU biasanya untuk ruangan berkapasitas besar di atas Btu/h. Prinsip kerja secara sederhana pada AHU ini adalah dengan menghisap udara dari ruangan (return air) yang kemudian dicampur dengan udara segar dari lingkungan (fresh air) dengan komposisi yang bisa diubah-ubah. Campuran tersebut masuk menuju AHU melewati filter, coil pendingin, dan fan (blower), setelah itu udara yang telah mengalami penurunan suhu di distribusikan secara merata ke setiap ruangan melewati saluran udara (ducting) yang telah di rancang terlebih dahulu sehingga lokasi yang jauh bisa terjangkau dan merata KLASIFIKASI AHU Gambar 2.3 Sistem Air Handling Unit (Sumber: Wang, 2001) Air handling units dapat di klasifikasikan menurut struktur, lokasi, dan karakter pengkondisiannya.

24 28 a. Horizontal dan Vertical Unit Pada horizontal unit, supply fan, coils, dan filters semua terpasang pada tingkat yang sama, seperti pada gambar 2.2a. Horizontal units membutuhkan ruangan yang luas untuk instalasinya, dan biasanya digunakan untuk jenis AHU yang besar. Kebanyakan horizontal units dipasang di dalam fan room. Pada vertical unit, supply fan tidak terpasang pada tingkat yang sama dengan coils dan filters, tetapi selalu pada tingkat yang lebih tinggi, seperti pada gambar 2.2b. Vertical units membutuhkan ruangan yang lebih kecil dibandingkan horizontal unit. Vertical units biasanya berukuran kecil, jadi tinggi coil section plus, fan section, dan ductwork pada AHU yang melintang di bawah plafon lebih rendah dari head room (tinggi dari lantai ke plafon). Fan room adalah ruangan yang digunakan sebagai tempat AHU dan peralatan mekanik lainnya. b. Draw-Through Unit dan Blow-Through Unit Pada draw-through unit, supply fan berada pada bagian bawah dari cooling coil section, dan udara ditarik melalui coil section, seperti pada gambar 2.2a dan b. Pada draw-through unit, udara terkondisi is didistribusikan secara merata ke seluruh permukaan coil section. Debit udara dari AHU dapat dengan mudah diteruskan ke suplai duct dengan tingkat kecepatan yang sama. AHU jenis draw-through units adalah yang paling banyak digunakan. Pada blow-through unit, supply fan berada pada bagian atas dari cooling coil section, dan udara dihembuskan melalui coil section, seperti pada gambar 2.2c. Biasanya, pada multizone air-handling unit menggunakan jenis blow-through unit. Pada multizone AHU, coil section dibagi menjadi hot deck dan cold deck. Heating coil terpasang pada hot deck tepat di atas cold deck, dimana cooling coil berada. Hot deck terhubung ke ductwork yang mensuplai udara hangat ke zona perimeter melalui warm duct. Cold deck terhubung ke cold duct yang mensuplai udara dingin ke kedua zona perimeter dan interior. Blow-through unit juga memiliki kelebihan untuk membuat heat gain dari supply fan menjadi bagian dari coil load yang mana dapat mengurangi heat gain pada sistem suplai.

25 29 c. Outdoor Air (Makeup Air) AHU dan Mixing AHU Kebanyakan mixing AHU dapat digunakan untuk kondisi hanya outdoor air saja ataupun campuran dari outdoor air dan recirculating air, dimana an outdoor air AHU hanya untuk kondisi 100 persen outdoor air, seperti pada gambar 2.2d. Outdoor air, atau makeup air AHU adalah once-through unit, yang mana tidak terdapat return air dan mixing box pada unit tersebut. Unit tersebut mungkin bisa menjadi sistem constant-volume ataupun sistem variable-air-volume (VAV) jika jumlah penghuninya berbeda-beda. Pada outdoor-air AHU, cooling coil biasanya memiliki enam sampai delapan baris kedalaman coil, karena perbedaan enthalpy yang besar saat pendinginan dan dehumidifikasi pada saat musim panas. Pencegahan pembekuan untuk water coils sangat dibutuhkan pada lokasi yang memiiki suhu luar di bawah 32 F (0 C) pada saat musim dingin. Heat recovery coil atau water economizer precooling coil sering dipasang pada makeup air AHU untuk penghematan energi. d. Single-Zone AHU dan Multizone AHU Single-zone AHU hanya digunakan untuk single zone. Sedangkan Multizone AHU dapat digunakan untuk dua atau lebih zones, seperti pada gambar 2.2c. Sebuah zone dapat menjadi perimeter luas interior zone ataupun satu dari banyak control zones yang terhubung ke multizone AHU melalui ducts dan terminal. Jenis lain multizone unit yang memiliki warm air ducts dan cold air ducts terpisah yang terhubung dengan warm dan cold air dampers untuk setiap zone sudah tidak digunakan lagi karena multizone unit jenis ini boros energi, butuh sistem kendali yang rumit dan mahal.

26 30 Gambar 1.4 Jenis Air Handling Unit (AHU): (a) Horizontal, Draw-through Unit; (b) Vertica,l Draw-through Unit; (c) Blow-through Unit, Multizone AHU; (d) Makeup Air AHU, Costum-built, Rooftop Unit. (Sumber: Wang, 2001)

27 31 e. Factory-Fabricated AHU dan Field-Built AHU, Custom-Built dan Standard Fabrication AHU Salah satu alasan utama untuk menggunakan factory-fabricated AHU atau standard fabrications karena biaya yang murah dan berkualitas tinggi. Tenaga kerja produksi dan teknik manufaktur yang terkontrol memberikan konstruksi yang lebih efisien dan kualitas yang lebih baik dari pada tenaga kerja lapangan (kontraktor). Custom-built dan field-built AHU memberikan fleksibilitas yang lebih dalam struktur, sistem pengaturan komponen, dimensi dan fungsi khusus daripada produk standard fabrication. Custom-built dan field-built AHU juga membutuhkan detail yang spesifik. Produk standard fabricating biasanya lebih murah dan dapat dikirim dalam waktu yang cepat. Gambar 2.5 Jenis Factory-Fabricated AHU dan Field-Built AHU, Custom-Built dan Standard Fabrication AHU. (Sumber: McGraw Hill, 1965) f. Rooftop AHU dan Indoor AHU Rooftop AHU seperti pada gambar 2.2d biasanya terpasang pada atap dan harus tahan terhadap cuaca. Selubung luar biasanya terbuat dari baja galvanis atau lembaran aluminium dengan lapisan tahan karat dan sealant pada sambungan dalam dan luarnya. Fan motor, water valves, damper actuator linkages, dan kontrol-kontrol semuanya

28 32 terpasang didalam selubung. Akses pintu sangat dibutuhkan untuk melakukan servis dan perawatan fans, coils, dan filters. Indoor AHU terdapat pada fan room. AHU berukuran kecil biasanya digantung pada plafon. Gambar 2.6 Jenis Rooftop AHU dan Indoor AHU (Sumber: Wang, 2001) 2.11 KOMPONEN AHU Berikut ini adalah komponen utama yang ada pada AHU: a. Casing (Selubung) Ada dua jenis casing yang banyak digunakan untuk AHU yaitu: (1) double-wall sheetmetal casing dimana bahan isolasi terjepit di antara dua panel logam lembaran dari 1 sampai 2 inchi. (25 50 mm) tebal dengan nilai U 0,12-0,25 0,68-1,42 W/m 2 C dan (2) single sheet-metal panel dengan lapisan isolasi dan logam yang berlubang.

29 33 Gambar 2.7 Casing AHU (Sumber: McGraw Hill, 1965) b. Fan (Kipas) Fan sentrifugal backward-inclined sering digunakan dalam AHU berukuran besar dengan L/s yang lebih besar dan kipas yang lebih tinggi tekanan totalnya untuk efisiensi yang lebih tinggi dan kebisingan rendah. Gambar 2.8 Fan AHU (Sumber: Trane Malaysia, 2003)

30 34 c. Coil Pada AHU jenis koil yang sering digunakan adalah water cooling coils, water heating coils, electric heating coils, dan water precooling coils. Pada water cooling coil terdiri dari pipa-pipa kapiler untuk mengalirkan air dingin yang berasal dari chiller. Gambar 2.9 Cooling Coil (Sumber: Wang, 2001) d. Filter (Saringan) Filter berfungsi sebagai penyaring udara segar dan return air yang masuk ke AHU terhadap kotoran atau debu. Gambar 2.10 Filter AHU (Sumber: McGraw Hill, 1965)

31 35 e. Humidifier Humidifier berfungsi menjadikan udara ke kelembaban yang sesuai (tinggi/rendah). Biasanya, tidak ada humidifier yang dipasang pada AHU untuk kenyamanan sistem pendingin udara, tetapi jika iklim di luar ruangan sangat dingin sehingga jika humidifier tidak bekerja, kelembaban relatif di dalam ruangan mungkin terlalu rendah. Humidifier diperlukan untuk fasilitas pelayanan kesehatan dan sistem pengolahan di farmasi, semikonduktor, tekstil, pusat-pusat komunikasi, dan ruang komputer. Gambar 2.11 Humidifier (Sumber: Wang, 2001) f. Mixing box Merupakan suatu ruang tempat bercampurnya udara segar dengan udara yang kembali dari ruangan (return air).

32 36 Gambar 2.12 Mixing box (Sumber: Wang, 2001) 2.12 LANGKAH KERJA AHU Pengumpulan dan Pencampuran Outdoor dan Indoor Air Centrifugal return fan menghisap udara yang menempati ruangan dalam gedung, udara tersebut akan mengalir melalui return air ducts. Sebagaian dari udara tersebut dibuang keluar melalui exhaust air damper, sementara itu sebagian kecil sisanya mengalir melalui air handling unit. Kemudian udara tersebut bercampur dengan udara yang di masukkan dari luar ruangan. Inilah campuran dari udara luar ruangan dan udara dalam ruangan, sebelum dilakukannya pendinginan dan pemanasan tambahan, yang biasa disebut udara campuran. udara campuran akan disaring sebelum memasuki supply fan, supply fan menekan udara tersebut untuk melalui tahap pendinginan dan pemanasan dari AHU. Kemudian udara tersebut disalurkan melalui sistem ductwork menuju ke seluruh area gedung.

33 37 Gambar 2.13 Kipas Sentrifugal (Sumber: Syamsuar, 2012) Sistem Pendingin Terdapat dua tingkat pendinginan dalam AHU, yaitu direct evaporative cooling dan indirect cooling. a. Direct Evaporative Cooling Untuk daerah yang memiliki tingkat kelembaban udara yang rendah direct evaporative cooling merupakan pilihan pendingin yang sangat ekonomis. Uap air menyatu dengan udara, maka suhu udara akan turun (energi panas dari udara digunakan untuk merubah air dari cair menjadi uap air) dan udarapun menjadi lembab. Jika tingkat pendinginan udara cukup tinggi mungkin diperlukan 1-3 tingkat evaporative cooling. Karena evaporative cooling akan menaikan tingkat kelembaban udara, proses direct evaporative cooling ini memerlukan tingkat kelembaban udara

34 38 luar yang rendah dan udara gedung yang telah dilembabkan akan dikeluarkan secara terus menerus. b. Indirect Cooling Ketika kelembaban udara luar ruangan terlalu tinggi untuk direct evaporate cooling, tingkat indirect cooling secara otomatis akan aktif. tingkatan ini terdiri atas cooling tower yang terletak di luar ruangan, dalam cooling tower terdapat cold glycol (tabung dengan sirip karet yang tersusun berhimpitan) yang merupakan solusi untuk cooling coil pada AHU. Coil terdiri dari penutup pelindung untuk melindungi tabung, yang mana suplai udara dingin ini akan melewati sirip aluminium agar meningkatkan penyebaran panas. Karena air glycol yang melewati cooling coil terlalu dingin dibandingkan dengan udara yang akan didinginkan. Maka tabung dalam coling coil membuat beberapa pembuangan untuk menyelesaikan penyaluran udara panas. Drip pan piped untuk membuang sisa embun yang mungkin terkumpul pada coil ketika udara dihilangkan kelembabannya. fluid cooler juga memerlukan tingkat kelembaban udara luar yang rendah untuk berfungsi, sejak udara tersebut dingin maka glycol melewati penguapan air dari sisi luar cooling coil RUANGAN, KAMAR, DAN ZONA Ruangan menunjukkan baik volume atau tempat tanpa partisi atau ruang yang dipartisi atau kelompok dari beberapa kamar. Kamar adalah tempat tertutup atau ruangan yang dipartisi yang biasanya diperlakukan sebagai single load. Ruang yang terkondisi biasanya memiliki sistem kontrol sendiri. Zona dalam sebuah ruangan, atau beberapa kamar, memiliki beberapa jenis beban yang sama atau karakteristik operasi yang sama. Sebuah zona bisa saja tertutup ataupun terbuka, atau mungkin juga memiliki banyak kamar yang dipartisi. Zona bisa saja menjadi sebuah ruangan yang terkondisi ataupun tidak. Zona yang terkondisi biasanya dilengkapi dengan sistem kontrol sendiri.