BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. PengertianUmum Alat pengkondisi udara merupakan modifikasi pengembangan dari teknologi mesin pendingin. Alat ini dipakai bertujuan untuk mengkondisikan udara yang sejuk dan nyaman bagi tubuh (Cengel, 1998). Untuk negara beriklim tropis yang terdiri dari musim hujan dan musim panas, pada saat musim panas suhu ruangan tinggi sehingga penghuni tidak nyaman. Begitu pun saat musim hujan, kelembaban yang tinggi mengakibatkan ruangan menjadi tidak nyaman. Kondisi nyaman yang dimaksud adalah kondisi nyaman secara thermal yang disebut thermal comfort zone. Untuk mendapatkan kondisi termal yang nyaman maka dilakukan pengkondisian terhadap ruangan yang dihuni. Pengkondisian dilakukan dengan berbagai cara antara lain dengan metode ventilasi alami yaitu dengan memasang jendela dan kisi kisi ventilasi sehingga memungkinkan pertukaran udara dari ruangan ke udara luar. Namun kenyataannya dengan metode alami banyak memiliki keterbatasan seperti suhu udara luar yang masih tinggi, partikel partikel debu yang akhirnya ikut masuk kedalam ruangan sehingga tidak menjamin kebersihan udara. Dengan demikian dibutuhkan alat bantu mekanis untuk mengalirlkan udara segar dari luar ke dalam 7

2 ruangan, metode ventilasi mekanis menggunakan blower yang digerakan oleh motor untuk memperlancar sirkulasi udara ruangan. Ventilasi mekanis ini pun memiliki kekurangan karena suhu udara yang masih tinggi walaupun debu tidak lagi menjadi masalah karena dalam ventilasi mekanis telah dilengkapi dengan filter yang menyaring debu dari udara. Kemudian metode ini juga tidak mampu mengangkat uap air yang ada dalam ruangan sehingga ruangan menjadi lembab. Maka kemudian muncullah pengkondisi udara, dengan pengkondisi udara kelembaban udara dapat diatur, serta udara yang disirkulasikan memiliki temperatur yang rendah sehingga kondisi termal dalam ruangan juga dapat diatur. Kualitas udara yang ada dalam ruangan juga dapat diatur dengan mengalirkan udara segar melalui pengkondisi udara Thermal Comfort Zone Kenyamanan termal didefinisikan sebagai "That condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment (ASHRAE, 1992). Yaitu suatu kondisi pikiran yang mengungkapkan kepuasan akan kodisi termal lingkungan. Definisi lain kenyaman termal adalah suatu interaksi termal antara manusia dan lingkungannya yang memuaskan pikiran manusia. Seorang manusia dikatakan nyaman secara termal apabila ia tidak mengatakan lingkungannya perlu lebih dingin atau lebih panas. Manusia sebagai individu memiliki sifat sifat yang sangat bervariasi seperti sifat fisik, sifat dan kemudahan beradaptasi, sehingga tidak mungkin dapat memberikan suhu ideal yang dapat diterima dan memuaskan untuk semua kelompok tentang lingkungan termal yang nyaman. ASHRAE Standard , Thermal Conditions for Human Occupancy, bertujuan untuk mengetahui kombinasi ruangan dan factor personal yang dapat menghasilkan 8

3 lingkungan termal yang dapat diterima oleh 80% atau lebih penghuni dalam suatu ruangan. Kata diterima dalam hal ini disamakan dengan keadaan kepuasan, dimana kata puas dihubungkan secara tidak langsung dengan suatu keadaan cukup hangat, netral, cukup dingin. Standard ini banyak sekali digunakan berbagai Negara, dan standart ini cocok sekali digunakan untuk ruangan dengan pengkondisian udara buatan. Skala ASHRAE 55 menggunakan skala 7 poin untuk mengukur sensasi kenyamana termal yang dirasakan / Thermal Sensation Vote (TSV). 7-Skala menurut ashrae diberikan nilai +3 (hot), +2 (warm), +1 (slighty warm), 0 (neutral), -1 (slightly cool), -2 (cool), -3 (cold). Selain skala diatas ada juga Skala Bredford yang lebih dikenal dengan nama respon kenyamanan (Comfort response). Skala Bredford juga menggunakan 7 poin yaitu +3 ( much too warm ), +2 (too warm), +1 (comfortably warm), 0 (comfortable), -1 (comfortably cool), -2 (too cool), -3 (much too cold). Jika thermal comfort zone dipetakan dalam diagram psikometri maka akan terlihat seperti pada gambar berikut. 9

4 Gambar 2. 1 Pemetaan Thermal Comfort Zone pada Psikometri (Sumber: ASHRAE,1992 ) 2.3. Faktor Kenyamanan Termal Faktor kenyamanan termal dipengaruhi oleh dua hal yaitu faktor iklim lingkungan dan faktor psikologi (pribadi) penghuninya. Faktor iklim terdiri dari suhu udara, suhu radiasai rata rata, kecepatan udara, kelembaban udara relatif, sedangkan untuk faktor pribadi terdiri dari aktifikat yang dilakukan dan kebiasaan berpakaian penghuninya. 1. Suhu Udara Suhu udara merupakan faktor terpenting yang mempengruhi kenyamanan termal. Berdasarkan beberapa pengujian yang dilakukan diketahui bahwa jika suhu lingkungan naik maka suhu permukaan kulit akan ikut naik. Penentuan suhu nyaman untuk setiap ruangan akan berbeda - beda tergantung kondisi lingkungan itu sendiri. Seperti dijelaskan sebelumnya hal ini dikarenakan suhu permukaan kulit yang melepaskan panas juga berubah. 10

5 Karena itu berdasarkan (SNI, 2001) zona kenyamanan thermal untuk daerah tropis dikelompokkan menjadi: - sejuk nyaman, antara temperatur efektif 20,50C ~ 22,80C. - nyaman optimal, antara temperatur efektif 22,80C ~ 25,80C. - hangat nyaman, antara temperatur efektif 25,80C ~ 27,10C. 2. Kelembaban Relatif. Kelembaban udara relatif dalam ruangan adalah perbandingan antara jumlah uap air yang dikandung oleh udara tersebut dibandingkan dengan jumlah kandungan uap air pada keadaan jenuh pada temperatur udara ruangan tersebut. Untuk daerah tropis, kelembaban udara relatif yang dianjurkan antara 40% ~ 50%,tetapi untuk ruangan yang jumlah orangnya padat seperti ruang pertemuan, kelembaban udara relatif masih diperbolehkan berkisar antara 55% ~ 60%. 3. Pergerakan Udara (Kecepatan Udara) Kecepatan berpengaruh pada kecepatan penguapan pada permukaan kulit, misalnya ketika ruangan bersuhu rendah yang sudah dianggap nyaman memiliki aliran udaranya tertentu, maka ketika suhu ruangan meningkat kecepatan udara juga harus ditingkatkan agar dapat kembali didapatkan keadaan nyaman. Jadi kecepana udara ditingkatkan untuk mengkompensasi kenaikan suhu yang terjadi. Tabel Kecepatan udara terhadap temperatur udara kering 11

6 Gambar 2. 2 Hubungan kecepatan udara terhadap kenaikan temperatur (Sumber : SNI ) 4. Radiasi Permukaan Panas Benda yang memiliki permukaan panas akan melepaskan radiasi ke sekitarnya yang memiliki suhu yang lebih rendah, hal ini tentunya akan mempengaruhi kenyaman bagi penghuni. Suhu udara rata rata untuk permukaan panas diusahakan harus sama atau mendekati temperatur udara bola kering ruangan tersebut. Jika ternyata temperaturnya lebih panas dari temperatur bola kering ruangan (dalam kondisi nyaman) maka temperatur ruangan harus dibuat lebih rendah dari rancangan awal. 5. Aktivitas Penghuni. Aktivitas mempengaruhi kadar metabiosme tubuh sehingga mempengaruhi besarnya panas yang dilepaskan ke lingkungan, hal ini berarti suhu permukaan kulit akan berubah tergantung pada aktifitas yang dilakukan penghuni. Pelepasan kalor untuk tiap aktivitas akan berbeda dikarenakan tingkat metabolisme yang berbeda. Berbagai 12

7 aktivitas dan besaran energi panas yang dilepaskan ke lingkungan yang dilakukan oleh seorang pria dewasa dapat dilihat dalam tebel berikut (SNI, 2001): Tabel Laju pertambahan panas dari penghuni dalam ruangan (Sumber : SNI ) Selain dari besarnya kalor yang dilepaskan seperti dalam tabel diatas penghuni juga dapat dinyatakan dalam satuan met untuk satuan metabolisme, seperti dalam tabel berikut. Dimana 1 met = 58,2 Watt/m 2, m 2 dalam hal ini menunjukkan luas permukaan kulit tubuh. Sebagai gambaran pria dewasa dengan tinggi 180 cm dan berat badan 70 kg memiliki luas permukaan kulit 1,9 m 2. Berikut tabel metabolisme untuk berbagai aktivitas. 13

8 Tabel Besarnya metabolisme untuk berbagai aktifitas (Sumber : SNI ) 6. Pakaian yang dipakai Besarnya kalor yang dilepaskan oleh tubuh tentu saja akan terhalang oleh pakaian, jenis pakaian dan tebal bahan pakaian akan memiliki nilai isolasi termal (nilai konduksi bahan). Ketika tubuh suhu tinggi tinggi maka pakaian akan menjadi penghalang pelepasan kalor dari tubuh penghuni ke sekitarnya, begitu pula 14

9 sebaliknya ketika suhu tubuh lebih rendah maka pakaian akan menjadi isolator tubuh terhadap penyerapan kalor dari lingkungan. Isolasi termal dari bahan pakaian yang dipakai dinyatakan dalam clo, dimana : 1 clo = 0,155 m 2 K / Watt. Pada tebel 2.4 dapat dilihat besarnya isolasi thermal untuk berbagai jenis pakaian. Tabel Isolasi Thermal untuk berbagai jenis pakaian (Sumber : SNI ) 2.4. Peralatan Tata Udara Ada dua system utama Air conditioning yaitu Direct Expansion, dimana udara didinginkan langsung oleh refrigeran yang mengalir langsung melalui heat exchanger (evaporator) pada unit indoor dan Chiller system (central system), pada sistem ini refrigran pada sistem refrigrasi mendinginkan fluida pendingin yang melewati evaporator untuk kemudian digunakan mendinginkan udara di dalam ruangan melalui heat exchanger (cooling coil) yang ada pada FCU atau AHU. Peralatan utama yang utama pada sistem sentral Chiller adalah: 15

10 1. Chiller Chiller kompresi uap dibedakan berdasarkan fluida pendinginnya menjadi dua kelompok besar yaitu Water Cooled Chiller dan Air Cooled Chiller. Fluida pendingin yang dimaksud adalah pendingin yang mendinginkan refrigran yang mengalir melalui condenser dalam proses kompresi uap. Perbedaan pendingin ini dapat dilihat pada kontruksi condenser chiller, jika berpendingin udara menggunakan fin & tube heat exchanger, sementara yang berpendingin air menggunakan shell & tube heat exchanger. Gambar 2. 3 Water Cooled Screw Chiller (Sumber: CARRIER Inc.) Sementara jika di kelompokkan berdasarkan jenis kompresornya maka ada 4 jenis yaitu Scroll Chiller, Reciprocating Chiller, Screw Chiller, dan Centrifugal Chiller. Keempat jenis chiller ini memiliki rentang pendinginan yang berbeda yang mempengaruhi efisiensi mesin, dimulai dari scroll chiller yang akan cocok untuk beban pendingian terendah hingga centrifugal chiller yang memiliki kapasitas pendinginan yang tertinggi. Sebagai contoh ketika beban pendinginan cukup besar maka akan sangat tidak efisien ketika kita memilih menggunakan beberapa scroll chiller, begitu juga sebaliknya ketika beban rendah maka penggunaan centrifugal chiller juga tidak efisien. 16

11 Chiller merupakan alat paling utama dalam sistem pendingin terpusat. Pada chiller terjadi siklus refrigrasi yang menghasilkan air dingin yang digunakan untuk mendinginkan udara dalam ruang yang dikondisikan. Setelah menyerap panas dari ruang yang dikondisikan maka air pendingin kembali disirkulasikan melalui chiller untuk didinginkan kembali. Gambar Air Cooled Reciprocating Chiller (Sumber: CARRIER Inc.) 2. Pompa Pompa adalah suatu alat atau mesin yang digunakan untuk memindahkan cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu sistem pemipaan dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung secara terus menerus. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis 17

12 (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada sepanjang pengaliran. Gambar 2. 5 Pompa Sentrifugal dan Aksesorisnya (Sumber: Dokumen Pribadi) Pada sistem pendingin sentral pompa digunakan untuk mengalirkan air pendingin dari chiller ke seluruh sistem pendingin baik itu pada FCU maupun AHU. Melalui media sistem pemipaan pompa harus mampu mengalirkan air sesuai flow rate yang dibutuhkan oleh FCU / AHU. 3. Fan Coil Unit & Air Handling Unit Fan Coil Unit dan Air Handling Unit memiliki fungsi yang sama yaitu untuk menyerap panas udara dalam ruang yang dikondisikan. Udara disirkulasikan menggunakan blower melalui coil pendingin (fin & tube heat exchanger) yang menyerap panas udara yang melewatinya. Coil kemudian memindahkan panas ke dalam air sejuk yang dipompakan dari chiller. 18

13 Gambar 2. 6 Ducted Fan Coil Unit (Sumber: CARRIER Inc.) Gambar 2. 7 Cassette Fan Coil Unit (Sumber: CARRIER Inc.) Meskipun memiliki fungsi umum yang sama FCU dan AHU tetap memiliki perbedaan. Perbedaan mendasar dari keduanya terletak pada rentang kapasitas pendinginan dan filterisasinya. AHU memiliki kapasitas pendinginan yang besar dibandingkan dengan FCU dan filterisasi pada AHU juga lebih presisi dibandingkan dengan FCU, sehingga AHU memiliku tekanan statis yang relatif lebih besar untuk mengatasi tahanan pada filter. 19

14 Gambar 2. 8 Air Handling Unit (Sumber: CARRIER Inc.) Untuk mensirkulasikan udara kedalam ruangan yang dikondisikan baik FCU maupun AHU menggunakan saluran distribusi yang disebut ducting. Baik pada sisi suplainya maupun pada sisi return. Dengan menggunakan ducting maka udara dingin dapat disalurkan menyeluruh dalam ruangan untuk mendapatkan kondisi udara yang merata pada ruangan yang dikondisikan. 4. Cooling tower Unit pemindah panas ini hanya dipakai pada Chiller berpendingin air. Unit ini berfungsi untuk memindahkan / membuang panas yang diserap air pendingin pada condenser chiller. Untuk memindahkan massa air pendingin peralatan ini membutuhkan bantuan pompa sirkulasi. Dengan desain sederhana, terdiri dari dua komponen utama yaitu sirip fiber dan blower unit ini memindahkan panas dari air yang jatuhkan (spray) melalui sirip fiber, sementara blower menghisap udara disekitarnya melalui sirip fiber, sehingga air yang 20

15 meleleh melalui sirip sirip tersebut akan diserap panasnya oleh aliran udara yang lewat untuk kemudian panas dibuang ke lingkungan bersama udara Perpindahan Panas Gambar 2. 9 Cooling Tower (Sumber: Dokumen Pribadi) Panas dikenal manusia sebagai sensasi yang menghasilkan perasaan hangat atau bahkan panas. Penas merupakan salah satu bentuk energy, dan energi tidak dapat dimusnahkan ataupun diciptakan tetapi bentuk energi apapun dapat dirubah bentuknya. Maka dalam konsep penkondisian udara energi panas hanya dipindahkan dari ruangan yang dikondisikan keluar ruangan. Panas merupakan energi yang terbentuk karena perbedaan temperatur. Panas berpindah dari satu wilayah atau bagian ke wilayah lain melalui tiga metode yaitu: 1. Konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi Ketiga metode ini dapat berlangsung jika terdapat perbedaan temperatur antara kedua benda. Dalam kaitannya dengan penkondisian udara, perpindahan panas 21

16 merupakan dasar perhitungan desain pengkondisian udara. Perpindahan panas menjadi dasar perhitungan beban pendinginan, kapasitas unit, ukuran heat exchanger, serta aliran fluida dalam peralatan pengkondisian udara Konduksi Konduksi adalah perpindahan energi (panas) dari zat yang memiliki energi lebih banyak ke zat didekatnya yang memiliki energi lebih sedikit sebagai akibat interaksi antar partikel. Konduksi dapat terjadi pada zat padat cair maupun gas. Pada cairan dan gas perpindahan panas terjadi akibat tumbukan atau difusi molekul yang selalu bergerak. Sementara pada benda padat perpindahan panas terjadi karena getaran molekul dalam kisi kisi dan perpindahan energi yang dibawa oleh elektron yang bergerak bebas. Konduksi terjadi melalui perantara dan tidak disertai perpindahan masa zat perantara. Laju perpindahan panas konduksi pada perantara tergantung pada bentuk, ketebalan, bahan, dan perbedaan temperaturnya. Berdasarkan yang telah dilakukan besarnya laju perpindahan panas didapatkan kesimpulan bahwa besarnya laju perpindahan melalui permukaan rata sama dengan pebedaan temperatur dan luas area permukaan dan berbanding terbalik dengan ketebalannya (Cengel, 1998) dan dapat dirumuskan sebagai berikut:...(2.5.1) Dimana: q cond : Laju perpindahan panas (W) k : Konduktivitas thermal (W/m C) A : Luas Area (m 2 ) : Perbedaan Temperatur ( C) 22

17 : Ketebalan Bidang (m) Konduktivitas thermal merupakan ukuran kemapuan material untuk mentransmisikan panas. Dalam tabel berikut dapat dilihat konduktivitas thermal dari beberapa material: Tabel 2. 5 Konduktivitas thermal material (Sumber: (ASHRAE, 1992) Konveksi Konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi disertai perpindahan masa. Konveksi umum terjadi pada cairan dan gas. Semakin cepat aliran fluida maka semakin cepat perpindahan panas terjadi. Dengan tidak adanya pergerakan fluida maka perpindahan panas pada permukaan padat terjadi karena konduksi murni. Ada dua jenis konveksi yang dikenal yaitu, konveksi alami dan konveksi paksaan. Konveksi alami terjadi karena energi yang ditransmisikan pada fluida disekitarnya sehingga fluida menjadi panas dan bergerak untuk digantikan oleh fluida yang lebih dingin. Konveksi alami terjadi murni karena perbedaan masa jenis fluida. 23

18 Konveksi paksa terjadi ketika adanya gaya yang memaksa fluida mengalir menuju permukaan panas. Perpindahan panas yang disertai perubahan fasa juga dikategorikan sebagai konveksi. Walaupun perpindahan panas jenis ini tergolong rumit, laju perpindahan panas konveksi telah diteliti dan diketahui sebanding dengan perbedaan temperaturnya dan berdasarkan hukum pendinginan Newton dirumuskan (Cengel, 1998):...(2.5.2) Dimana: h : Koefisien Konveksi (W/m 2 C) : Luas Area Permukaan (m 2 ) : Perbedaan temperatur antara permukaan panas dengan fluida ( C) Radiasi Radiasi merupakan energi yang dilepaskan oleh zat dalam bentuk gelombang elektromagnet atau Photon, sebagai akibat perubahan konfigurasi elektron dari atom atau molekul (Cengel, 1998). Berdasarkan hukum Stefan-Boltzman, laju perpindahan panas radiasi yang dipancarkan pada temperatur absolut disebut dengan blackbody radiation, pada kenyataannya laju perpindahan panas radiasi pada suatu permukaan lebih kecil dari blackbody dan dirumuskan sebagai berikut:...(2.5.3) 24

19 Dimana : : Kekuatan pancaran, : Radiasi maksimum yang dipancarkan oleh permukaan panas (W) : Konstanta Stefan-Boltzmann (5.67x10-8 W/m 2 K 4 ) : Luas area permukaan (m 2 ) : Temperatur absolut (K) Sementara besarnya energi (panas) yang diterima oleh suatu permukaan tergantung pada kemampuan serap material tersebut. Perbedaan daya pancar dan daya serap antara dua permukaan berbeda temperatur merupakan laju besarnya laju perpindahan panas radiasi. Ketika kedua permukaan dalam temperatur absolutnya, maka besarnya laju radiasi adalah:... (2.5.4) Dimana : : Temperatur absolut permukaan sekitar (K) Koefisien Perpindahan Panas Suatu material memiliki nilai tahanan yang menahan laju aliran panas yang melewatinya. Nilai tahanan pada suatu material nilainya bebanding terbalik terhadap nilai koefisien perpindahan panasnya. Pada perpindahan panas nilai tahanan berbanding terbalik terhadap koefisien konduksinya per satuan panjang.... (2.5.5) 25

20 Sementara pada perpindahan panas konveksi dan radiasi nilai tahanannya masing masing dinyatakan dengan persamaan:... (2.5.6)... (2.5.7) Pada dinding atau panel yang terdiri dari beberapa material maka tercipta jaringan tahanan yang berlapis, maka digunakan koefisien perpindahan panas total. Koefisien perpindahan panas total (U-Factor) ini merupakan nilai kebalikan dari nilai tahanan thermal total, yang dinyatakan dengan persamaan:... (2.5.8) Dimana: U : Koefisien perpindahan panas total (W/m2 C) R : Nilai tahanan total (m 2 C /W) 2.6. Psikometri Psikometri merupakan pengkajian thermodinamika terhadap properti udara campuran. Umumnya digunakan untuk menggambarkan dan menganalisa karakteristik dari berbagai proses dan siklus pengkondisian udara (ASHRAE, 1997). Dalam pengkondisian udara, udara harus melalui salah satu atau beberapa proses sebagai berikut: 26

21 1. Cooling (Pendinginan) : digunakan untuk mengontrol temperatur yaitu dengan menurunkan temperatur udara 2. Heating (Pemanasan) : Digunakan untuk mengontrol temperatur yaitu dengan menaikkan temperatur udara 3. Dehumidification : digunakan untuk mengontrol kelembaban udara yaitu dengan mengurangi kandungan uap air dalam udara 4. Humidification : digunakan untuk mengontrol kelembaban udara dengan menambahkan kandungan uap air dalam udara. Analisa psikometri dapat digunakan untuk memperkirakan perubahan lingkungan ketika panas atau uap air berubah dalam suatu sistem. Kegunaan analisa ini adalah untuk menentukan besarnya jumlah aliran udara (Flow Rate ) yang harus ditiupkan kedalam sistem serta untuk memudahkan pemilihan peralatan utama tata udara Definisi Udara Udara didefinisikan pada tiga jenis untuk berbagai kondisi yaitu: 1. Udara atmosfir : udara yang mengandung berbagai gas seperti oksigen, nitrogen, karbon dioksida, gas lain, dan elemen polutan lain seperti asap, debu, serta polutan lain. Udara ini yang kita gunakan untuk bernapas dan digunakan untuk ventilasi. 2. Udara kering : Merupakan udara atmosfir yang telah dihilangkan polutan dan uap airnya, udara ini digunakan sebagai dasar analisa psikometrik. 3. Udara lembab (basah) : merupakan campuran antara udara kering dan uap air. 27

22 2.6.2 Kelembaban udara Kelembaban udara mendefinisikan berapa besarnya jumlah uap air yang terkandung dalam satuan massa udara. Rasio kelembaban W, merupakan rasio campuran antara uap air dengan satuan masa udara. /...(2.6.1) Dimana: W : Rasio kelembaban (kg w / kg a ) : Massa air (kg w ) : Massa udara (kg a ) Sementara kelembaban spesifik yang dinotasikan dengan q, merupakan perbandingan massa uap air terhadap total massa udara campuran. Besarnya dinyatakan dengan persamaan: /...(2.6.2) Bentuk lain untuk mendefinisikan kelembaban adalah dengan kelembaban absolut yang dinotasikan dengan d v (kg w /m 3 ) kelembaban absolut merupakan perbandingan masa uap air dalam satuan volume udara campuran. /...(2.6.3) Dimana V adalah volume udara campuran dalam satuan (m 3 ). Kelembaban relatif merupakan bentuk yang umum digunakan untuk mendefinisikan kondisi kelembaban udara. Kelembaban relatif RH (%), merupakan 28

23 perbandingan masa uap air terhadap kapasitas maksimal uap air yang mampu diterima oleh udara sampai menjadi jenuh., %...(2.6.4) 2.7. Beban Pendinginan Beban Pendinginan merupakan jumlah panas yang harus dipindahkan dari dalam ruangan terkondisi untuk mencapai temperatur dan kelembaban optimal. Panas yang dimaksud adalah panas yang dihasilkan dari dalam ruangan maupun tambahan panas dari luar. Dalam kenyataannya jumlah panas yang masuk dalam suatu sistem pengkondisian udara berubah ubah, dikarenakan faktor faktor yang mempengaruhi penambahan panas tersebut juga berubah. Sebagai contoh panas yang dipengaruhi oleh kondisi lingkungan luar berubah seiring waktu yaitu udara akan lebih dingin di pagi hari dan akan semakin panas menuju sore hari. Beban pendinginan dalam ruangan terdiri dari dua komponen yaitu (SNI, 2001): 1. External Load ( Beban pendinginan luar) : beban ini diakibatkan penambahan kalor dari luar ruangan yang dikondisikan terdiri dari: 1. Radiasi matahari melalui kaca 2. Radiasi matahari melalui dinding dan atap 3. Perpindahan panas Konduksi akibat perbedaan temperatur luar denga ruangan yang terkondisi 4. Panas infiltrasi dari pintu dan jendela 5. Panas karena ventilasi 29

24 2. Internal Load (Beban Pendinginan dalam) beban ini diakibatkan penambahan kalor dari dalam ruangan yang dikondisikan, terdiri dari: 1. Panas yang ditimbuklan oleh aktivitas penghuni 2. Panas akibat lampu penerangan dan peralatan listrik 3. Panas akibat peralatan lain. Dalam sistem pengkondisian ada dua jenis panas yang dikenal yaitu: 1. Panas sensibel : Beban panas yang mempengaruhi perubahan temperatur tanpa mempengaruhi perubahan fasa. Semua jenis panas yang mempengaruhi temperatur bola kering disebut beban panas sensibel. 2. Panas laten : Beban panas yang mempengaruhi perubahan fasa tanpa memepengaruhi perubahan temperatur. Panas ini mempengaruhi perubahan kelembaban udara. Sesuai dengan ASHRAE Handbook 1997 Fundamentals dikenal 3 jenis metode perhitungan beban pendiginan yaitu: 1. Transfer Function Method (TFM) 2. Total Ekuivalen Temperatur Difference Time Average(TETD/TA) 3. Cooling Load Temperatur Difference / Solar Cooling Load / Cooling Lod Factor (CLTD/SCL/CLF) Banyak faktor yang mempengaruhi beban pendinginan, bahkan sebagian sangat sulit untuk dinyatakan secara detail besarnya. Banyak jenis beban yang bervariasi besarnya dalam waktu satu hari, karena besarnya nilai maksimum yag beragam dan terjadi tidak bersamaan dalam satu waktu maka perhitungan beban menjadi sulit dilakukan dengan presisi, maka dilakukan alasisa pada tiap komponen beban untuk mendapatkan perhitungan beban maksimum pada suatu ruang yang akan dikondisikan. 30

25 Dalam TFM perhitungan beban dilakukan dengan menggunakan temperatur udara luar tanpa perubahan akibat radiasi sebagai temperatur acuan udara luar. Kemudian temperatur dalam ruangan dianggap konsatan, serta konduktivitas thermal bahan pada sisi luar dan dalam ruang yang terkondisi dianggap sama. CLTD merupakan perhitungan beban berdasarkan dan merupakan penyempurnaan TFM.Pada metode ini TFM digunakan untuk memperkirakan beban pendinginan pada tiga komponen utama penambah beban yaitu, perhitungan trnasmisi pada permukaan, radiasi matahari serta perhitungan beban internal ruangan. Dalam CLTD data telah ditabulasikan baik koefisien perpndahan panas maupun koefisien perbedaan temperaturnya. TETD menggunakan dasar persiapan perhitungan sama dengan TFM, dimana sumber beban panas dikelompokkan menjadi beberapa kelompok. TETD merupakan prosedur perhitungan manual untuk beban pendinginan, sama dengan CLTD perhitungan ini menggunakan koefisien perbedaan temperatur, namun dalam metode ini koefisien tiap komponen disamaratakan baik untuk dinding maupun untuk atap. Dalam penulisan ini akan dibahas perhitungan berdasarkan CLTD maka komponen dan cara perhitungan perhitungan beban pendinginan akan dijelaskan berdasarkan metode tersebut Beban Pendinginan Luar (External) Komponen beban ini terdiri dari: 1. Beban Radiasi Matahari melalui kaca Radiasi yang terjadi pada kaca tidak semuanya masuk ke ruangan karena bangunan umumnya memiliki peneduh, baik peneduh dalam ruangan maupun peneduh luar ruangan. Dengan dasar inilah kemudian ada koefisien peneduh (SC) yang telah 31

26 ditabelkan oleh ASHRAE. Inc. Kemudian radiasi oleh matahari juga telah ditabelkan per satuan luas, sehingga didapatkan persamaan:.....(2.7.1) Dimana: q : Beban pendinginan (W) A : Luas permukaan kaca (m 2 ) SC : Koefisien penduh SCL : Faktor beban pendinginan matahari 2. Beban Konduksi melalui kaca, dinding, atap Sesuai dengan persamaan perpindahan panas konduksi ( persamaan 2.4.1) digunakan sebagai dasar perhitungan beban ini. Konduktivitas panas untuk tiap material kemudian diganti dengan koefisien perpindahan panas untuk satu jenis dinding (persatuan panjangnya) maka didapatkan persamaan:....(2.7.2) Nilai perbedaan temperatur selubung gedung pun kemudian ditabelkan untuk tiap jenis material sehingga didapatkan persamaan:.....(2.7.3) Dimana: q : Beban pendinginan (W) U : Koefisien perpindahan panas untuk atap, dinding atau kaca(w/ m 2 K) A : Luas permukaan ) : Perbedaan temperatur CLTD : Perbedaan temperatur beban pendinginan 3. Beban pendinginan melalui pertisi, langit langit dan lantai 32

27 Beban ini terjadi akibat perbedaan temperatur antara ruang yang dikondisikan dengan lingkungan sekitarnya yang bukan merupakan dinding luar. Panas yang ditransmisikan dihitung sama dengan persamaan (2.7.2) Beban Pendinginan Dalam (Internal) Komponen beban ini terdiri dari: 1. Penghuni Penghuni dalam ruangan yang terkondisi akan melepaskan kalor ke sekelilingnya melalui konveksi secara alami, hal ini dikarenakan adanya perbedaan temperatur antara tubuh dan sekelilingnya. Besarnya kalor yang dilepaskan oleh tubuh dapat dilihat pada tabel 2.2. Pada metode CLTD besarnya beban panas dari penghui dirumuskan sebagai berikut:.....(2.7.4) Dimana: q : Beban pendinginan (W) N : Jumlah Penghuni Q : Penambahan panas sensibel dan laten penghuni (W) CLF : Cooling Load Factor 2. Penerangan/Lampu Lampu memiliki nilai kalor yang dilepaskan baik secara konveksi dari permukaan lampu maupun secara radisai melalui cahaya yang dipancarkan oleh lampu, besarnya beban kalor oleh penerangan atau lampu dinyatakan dengan persamaan:....(2.7.5) Dimana : q : Beban pendinginan (W) 33

28 W : Daya listrik dari lampu (W) : Faktor penggunaan pencahayaan : Faktor toleransi khusus CLF : Cooling Load Factor 3. Daya Listrik Seperti kita ketahui tidak semua energi listrik dapat spenuhnya dirubah menjadi energi yang berguna dan akan menghasilkan sisa berupa panas yang dilepas ke sekelilingnya. Energi menjadi beban pendinginan yang dirumuskan sebagai berikut:.....(2.7.6) Dimana: P : Daya listrik peralatan (W) E F : Faktor Efisiensi CLF : Cooling Load Factor 4. Peralatan lainnya Sementara peralatan lain juga memiliki beban panas yang dilepaskan baik berupa beban sensibel maupun beban laten, yang dirumuskan sebagai berikut: Penambahan kalor sensibel :.....(2.7.7) Dan penambahan kalor laten Atau....(2.7.8).....(2.7.9) Dimana : q sensibel : Beban kalor sensibel (W) 34

29 q laten : Beban kalor laten(w) q is : Penambahan kalor sensibel peralatan (W) q il : Penambahan kalor laten peralatan (W) F ua : Faktor pemakaian F ra : Faktor radiasi F fl : Faktor kerugian pembakaran Beban Pendinginan Ventilasi dan Infiltrasi Terkadang dalam satu ruangn yang terkondisi diperlukan udara segar untuk mengganti udara yang tersirkulasi didalam ruangan. Udara yang sengaja dimasukkan kedalam ruangan merupakan ventilasi, sementara ada pula udara yang tidak diharapkan tetapi ikut masuk kedalam ruangan akibat perbedaan tekanan udara ini merupakan udara infiltrasi. Udara infiltrasi masuk kedalam ruangan melalui celah pintu, jendela, atau dapat juga ikut masuk ketika pintu atau jendela terbuka. Udara luar memiliki temperatur kelembaban yang berbeda dari ruangan yang dikondisikan sehigga menambah beban pendinginan, besarnya beban ini dirumuskan sebagai berikut,,.....(2.7.10),....(2.7.11),.....(2.7.12) Dimana: Q : Besarnya Ventilasi / Infiltrasi (m 3 /s) T o : Temperatur udara luar ( C) T i : Temperatur udara dalam ruangan ( C) W o : Kandungan uap air udara luar (kg w / kg a ) W i : Kandungan uap air udara dalam ruangan (kg w / kg a ) 35

30 H o : Enthalphi udara luar (kj/kg) H i : Enthalphi udara dalam ruangan(kj/kg) 2.8. Ducting Ducting merupakan saluran distribusi yang menyalurkan udara ke seluruh ruangan yang dikondisikan. Ducting ini harus mampu mengalirkan udara secara efisien sehinga biaya operasinya rendah, kebisingan yang ditimbukan rendah, penambahan beban panas yang ada dalam ducting dan kerugian gesekan dalam ducting rendah. Ducting juga harus mampu menahan tekanan udara didalamnya sehingga mampu mengalirkan udara dengan baik ke seluruh ruangan yang dikondisikan. Berdasarkan bentuk penampangnya, ducting dapat digologkan menjadi 3 jenis, yaitu round duct (ducting bulat), square duct (ducting persegi), dan flat oval duct (ducting oval).ketiga jenis ducting ini memiliki karakteristik masing-masing namun yang menjadi perbedaan utama adalah koefisien geseknya (friction coefcient) Metode Perhitungan Ducting Hal utama yang diperhatikan dalam perhitungan ducting adalah biaya instalasi (initial) dan biaya operasinya. Biaya operasi ducting merupakan penyebab utama ducting harus memiliki tekanan statis yang serendah mungkin sehingga energi yang hilang dalam sistem dapat diminimalkan. Ada tiga metode perhitungan ducting yang dikenal yaitu: 1. Equal Friction Method 2. Static RegainMethod 3. Velocity Reduction Method 36

31 Equal friction methode merupakan metode yang paling banyak digunakan, karena kemudahan dan fleksibilitas perhitungannya. Pada metode ini ditentukan terlebih dahulu kerugian tekanan per satuan panjang yang diguakan sebagai dasar untuk perhitungan pada bagian sistem yang lain. Keuntungan metode ini adalah dapat memberikan pengurangan kecepatan fluida pada bagian - bagian sistemnya sehingga kebisingan dapat sistem diantisipasi Aliran Fluida dalam Ducting Fluida dalam hal ini udara yang mengalir dalam ducting akan mengalami berbagai halangan yang mengakibatkan terjadinya turbelensi dalam alirannya. Seperti kita tahu fluida yang mengalir dalam suatu saluran akan mengalami dinamika gerak yang mengakibatkan perubahan aliran fluida. Kita ketahui dalam mekanika fluida aliran suatu fluida dapat dibedakan menjadi 3 jenis aliran yaitu: 1. Aliran Laminer, yaitu aliran fluida yang bergerak dalam lapisan lapisan, atau lamina lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relatif antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton yaitu : τ = µ dy/du 2. Aliran turbelen, yaitu Aliran dimana pergerakan dari partikel partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan 37

32 tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian kerugian aliran. 3. Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Pada aliran fluida yang mengalir dalam suatu saluran akan terjadi kerugian akibat fitting (elbow, junction, branch) juga akibat gesekan fluida dengan dinding ducting. Kerugian ini harus mampu di atasi oleh fan sehingga udara dapat terdistribusi dengan tepat ke seluruh ruangan Persamaan Kontinuitas Aliran Aliran suatu fluida yang melewati suatu penampang memiliki kecepatan dan laju aliran. Pada fluida tak termampatkan besarnya laju aliran fluida dianggap sama sehingga ketika luas penampang berubah maka akan terjadi perubahan pada kecepatan aliran fluida. Besarnya laju aliran fuida dalam saluran dinyatakan dengan persamaan:.....(2.9.1) Dimana: Q : Laju volume aliran (m 3 /s) V : Kecepatan Aliran (m/s) A : Luas penampang (m 2 ) Sementara ketika suatu aliran fluda berubah penampangnya maka besarnya aliran akan tetap sama (Q1 = Q2) tetapi kecepatannya akan berubah, dan dinyatakan dengan persamaan:....(2.9.2) Persamaan ini berlaku pada fluida tak termampatkan dengan asumsi tidak ada kerugian aliran dalam saluran penampang. Namun kenyataanya aliran fluida tidak ada 38

33 yang ideal akan terjadi kerugian akibat gesekan antara fluida dengan dinding penampang Hukum Bernouli Prinsip Hukum Bernoulli dalam mekanika fluida menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida jumlah energi pada suatu titik di dalam aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama (Brooks, 2010). Dengan = maka persamaan tersebut menjadi:...(2.9.3).....(2.9.4) Namun pada kenyataannya di lapangan terjadi kerugian/losses (hl) baik karena gesekan antara fluida dengan saluran maupun head losses akibat belokan. Head losses atau kerugian energi tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan :...(2.9.5) Kerugian akibat Gesekan Kerugian ini terjadi akibat terjadinya gesekan antara fluida dengan dinding saluran. Kerugian ini akan mempengaruhi tekanan yang ada di dalam sistem dan laju alirannya, berdasarkan persamaan Darcy, besarnya kerugian ini dapat dinyatakan denagan persamaan (ASHRAE, 1997): (2.9.6) Dimana: : Kerugian tekanan akibat gesekan (Pa) f : Faktor gesekan 39

34 L : Panjang ducting (m) D h : diameter hidrolik (m) : Masa jenis (Kg/m 3 ) V : Kecepatan (m/s) Berdasarkan Althsul Tsal besarnya faktor gesekan dapat dihitung dengan persamaan (ASHRAE 1997):,,....(2.9.7) persamaan: Dimana Re adalah reynolds number yang besarnya dapat diketahui dengan......(2.9.8) Dimana : Re : Bilangan Reynolds Dh : Diameter hidrolik (m) V : Kecepatan (m/s) v : Viskositas kinematik (m 2 /s) Sementra untuk perhitungan ducting persegi maka besarnya diameter hidrolik pada penampang dapat dihitung dengan persamaan berikut:,,, Dimana: a : Panjang sisi / Lebar (m) b : Panjang sisi lainnya / Tinggi (m)....(2.9.9) 40

35 Kerugian akibat Fitting Kerugian ini disebut kerugian dinamik yang diakibatkan adanya ganguan pada aliran udara akibat adanya pemasangan peralatan lain yang terpasang, fitting yang mengakibatkan perubahan jalur dan arah aliran serta perubahan luas penampang ducting. Besarnya kerugian ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: /.....(2.9.10) Dimana: : Kerugian dinamik (Pa) ρ : Masa jenis udara (kg/m 3 ) V : Kecepatan aliran udara (m/s) : Koefisien (Tabel fittings, ASHRAE) Tabel 2. 6 Nilai Koefisien untuk Elbow persegi (Sumber : ASHRAE,1997) 41

36 Tabel 2. 7 Nilai Koefisien untuk Elbow bulat (Sumber : ASHRAE,1997) Nilai kefisien C o telah ditabelkan oleh ASHRAE digunakan untuk berbagai jenis fitting, namun ada kalanya kondisi di dalam tabel tidak sama dengan kondisi aktual dilapangan, maka dilakukan pemilihan jenis fitting pada tabel yang paling mendekati dengan kondisi aktual di lapangan Daya Fan Besarnya kerja yang dilakukan oleh fan sama dengan besarmya total pressure fan, yaitu hasil penjumlahan static pressure fan dan dinamic pressure fan (velocity pressure)....(2.9.11) Dengan velocity presure p v = ρ.v 2 /2 maka persamaan tersebut diatas menjadi...(2.9.12) Fan harus mampu mengatasi tekanan statis dan mampu memberikan tekanan pada aliran yang melaluinya (Cengel & Cimbala, 2006) sehingga udara yang dialirkan 42

37 melalui ducting dapat disalurkan merata ke seluruh outlet yang ada. Besarnya daya yang dibutuhkan oleh fan adalah:...(2.9.13) Dimana : : Daya yang diperlukan oleh fan (W) : Fan total pressuere (Pa) Q : Laju aliran udara (m 3 /s) 43