BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengenalan Dasar tentang Beban Pendinginan Kita ketahui bahwa tujuan utama dalam melakukan pentataan udara, adalah agar kenyamanan dalam suatu ruang dapat dicapai, sehingga manusia didalam ruangan yang ditata udaranya akan merasakan nyaman, baik dari suhu, aliran udara maupun kelembaban didalam ruangan. Diiklim tropis seperti di Indonesia, pentataan udara lebih besar kearah pendinginan ruangan. Bila di iklim sub-tropis, maka ruangan perlu pendinginan pada waktu musim panas dan memerlukan pemanasan pada musim dingin. Dalam proses pendinginan ruangan, maka kita perlu ketahui beban-benban apa yang mempengaruhi proses pendinginan. Adapun beban pendinginan ruangan adalah : 1. Beban Pendinginan dari luar ruangan. a. Dari sinar matahari, seperti melalui kaca jendela dan melalui dinding dan atap. b. Dari udara luar, seperti melalui dinding, atap, dan lantai, melalui infiltrasi. 2. Beban pendinginan dari dalam ruangan. 6

2 7 a. Dari peralatan, seperti mesin listrik, lampu, dan peralatan lain yang mengeluarkan panas b. Dari manusia, seperti manusia dalam ruangan dan manusia yang keluar masuk ruangan c. Dari udara ventilasi, seperti melalui pintu dan alat ventilasi untuk mendapatkan udara segar Pada umumnya faktor yang meningkatkan beban pendinginan dari sebuah gedung adalah : Beban dari sinar matahari dan udara luar 30 50% Beban dari udara ventilasi 25 35% Beban dari manusia 10 20% Beban dari mesin listrik, lampu dll 15 25% Dari faktor faktor diatas, maka beban dari sinar matahari, udara lain dan udara ventilasi memberikan kemungkinan beban pada pendinginan suatu gedung sebesar 55-80%. 2.2 Peralatan Tata Udara Komponen utama dari peralatan tata udara adalah : o Kompresor o Kondenser o Evaporator

3 8 o Pompa o Kavitasi o Blower Kompresor Kompresor adalah alat pemampat atau pengkompresi udara dengan kata lain kompresor adalah penghasil udara mampat. Karena proses pemampatan, udara mempunyai tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan udara lingkungan (1atm). Dalam keseharian, kita sering memanfaatkan udara mampat baik secara langsung atau tidak langsung. Sebagai contoh, udara manpat yang digunakan untuk mengisi ban mobil atau sepeda montor, udara mampat untuk membersihkan bagian-bagian mesin yang kotor di bengkel-bengkel dan manfaat lain yang sering dijumpai sehari-hari. Pada industri, penggunaan kompresor sangat penting, baik sebagai penghasil udara mampat atau sebagai satu kesatuan dari mesin-mesin. Kompresor banyak dipakai untuk mesin pneumatik. Dengan mengambil contoh kompresor sederhana, yaitu pompa ban sepeda atau mobil, prinsip kerja kompresor dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika torak pompa ditarik keatas, tekanan di bawah silinder akan turun sampai di bawah tekanan atmosfer sehingga udara akan masuk melalui celah katup hisap yang kendur. Katup terbuat dari kulit lentur, dapat mengencang dan mengendur dan dipasang pada torak. Setelah udara masuk pompa kemudian torak turun kebawah dan menekan udara sehingga volumenya menjadi kecil. Tekanan menjadi naik terus sampai melebihi tekanan didalam ban, sehingga udara mampat dapat masuk ban melalui katup (pentil). Karena diisi

4 9 udara mampat terus menerus, tekanan di dalam ban menjadi naik. Perbedaan kompresor udara dengan pompa ban terletak pada katupnya, kedua katup dipasang dikepala silinder, dan tenaga penggeraknya adalah motor listrik. Tangki udara berfungsi sama dengan ban yaitu sebagai penyimpan energi udara mampat. Jadi jelas dari contoh tersebut, proses pemampatan terjadi karena perubahan volume pada udara yaitu menjadi lebih. Gambar 2.1 Kompresor udara penggerak motor bakar Kondensor Kondensor adalah alat untuk membuat kondensasi bahan pendingin gas dari kompresor dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Untuk penempatanya sendiri, kondensor ditempatkan diluar ruangan yang sedang didinginkan, agar dapat membuang panasnya keluar. Refrigerant yang yang dipompakan dari kompresor akan mengalami penekanan sehingga mengalir ke pipa kondensor,

5 10 kemudian mengalami pengembunan. Dari sini refrigerant yang sudah mengembun dan menjadi zat cair akan mengalir menuju pipa evaporator Kekurangan dan Kelebihan Kondenser Berdasarkan jenisnya, kekurangan dan kelebihan kondensor yaitu : a. Horizontal Kondenser 1. Dapat dibuat dengan pipa pendingin bersirip sehingga relaif berukuran kecil dan ringan 2. Pipa pendingin dapat dibuat dengan mudah 3. Bentuk sederhana dan mudah pemasangannya 4. Pipa pendingin mudah dibersihkan b. Vertikal Kondenser 1. Harganya murah karena mudah pembuatannya. 2.Kompak karena posisinya yang vertikal dan mudah pemasangan 3. Bisa dikatakan tidak mungkin mengganti pipa pendingin, pembersihan harus dilakukan dengan menggunakan deterjen Evaporator Dalam pemindahan panas yang didasarkan pada evaporasi, sumber panas hanya dapat kehilangan panas. Misalnya panas yang dihasilkan oleh tubuh manusia, kelembaban dipermukaan kulit menguap ketika udara melintasi tubuh. Evaporator adalah kebalikan dari condenser, kalau condenser berfungsi sebagai

6 11 penampung panas dari freon yg dipompa oleh compressor dan membuang panasnya dengan sebuah fan motor. Fungsi Evaporator adalah sebagai penampung dingin dari freon yg sudah berubah wujud menjadi cair setelah melewati pipa kapiler. Didalam evaporator yg hampa udara, freon akan menguap dan mengambil panas pada pipa-pipa yg berada pada evaporator sehingga pipa-pipa di evaporator menjadi dingin, dan membuang dinginnya dengan hembusan sebuah fan motor dengan daun kipas yg berbentuk blower. Kerusakan yang sering terjadi pada evaporator adalah kebocoran, bisa diperbaiki dengan cara mengelas disemua tekukan u nya atau menganti u nya atau juga mengganti evaporatornya dengan yang baru Pompa Pompa air merupakan komponen penting didalam sistem tata udara, antara lain berfungsi mengalirkan dan mensirkulasikan air-dingin dari water chiller ke AHU-AHU/FCU-FCU ata air pendingin (water cooled) dari cooling tower ke konduser. Pompa jenis sentrifugal yang paling banyak digunakan mensirkulasikan air didalam air conditioning sistem Karakteristik Pompa Beberapa hal penting yang menyangkut unjuk kerja (performansi) dari pompa adalah tekanan (head) yang dihasilkan, debit air yang dialirkan daya yang dibutuhkan untuk mengegrakkan pompa dan efisiensinya. Pada putaran (rpm) tertentu, head total pompa akan berubah jika tahanan pada pipa keluar diubah, misalnya atau menutup katup. Debit alian air daya dan efisensi akan berubah

7 12 sesuai dengan perubahan putaran (rpm) pompa. Hubungan antara parameterparameter head, daya, efisiensi dan laju debut aliran, merupakan titik kerja pompa yang paling optimum Kavitasi Kavitas adalah gejala menguapnya air yang sedang mengalir, karena berkurang sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Sebagai contoh pada tekanan 1 atmisfer air mendidih pada suhu 100ºC tetapi jika tekanannya diturunkan maka titik didih air berkurang dari harga tersebut. Mendidihnya zat cair ini akan menimbulkan gelembung-gelembung. Gejala Kavitasi ini dapat terjadi pada air yang sedang mengalir didalam pompa maupun pipa. Tempat-tempat bertekanan rendah dan atau kecepatan tinggi didalam aliran sangat rawan terhadap terjadinya kavitasi. Pada pompa bagian yang rawan mengalami kavitasi adalah pada bagian isapannya. Kavitasi akan timbul bila tekanan isapnya terlalu rendah. Timbulnya kavitasi pada pompa dapat dideteksi dengan timbulnya suara berisik dan getaran. Selain itu performasi pompa akan turun dengan tiba-tiba, sehingga pompa tidak dapat bekerja dengan baik. Bila keadaan berlangsung lama, kavitasi dapat menyebabkan erosi dan kerusakan pada impeller karena kavitasi sanga meugikan, yaitu dapat menimbulkan turunnya performansi, suara berisik dan getaran, serta rusaknya pompa, maka gejala ini harus dicegah. Untuk mencegah gangguan ini, harus dicegah agar head isap pompa jangan terlalu rendah.

8 Kipas Udara dan Blower Kipas udara yang sering digunakan dalam sistem udara adalah : Kipas udara axial (Axial fan) Aliran udara pada kipas ini terjadi dalam arah axial. Sudu impeler terbuat dari pelat baja atau aluminium tuang; jumlahnya berkisar dari 4 sampai 12 buah. Impeler terbungkus dalam rumah berbentuk silinder. Kipas udara axial dapat dibuat dengan atau tanpa sudu pengarah. Motor penggeraknya dapat terpasang langsung pada poros impeler atau dengan perantara tali kipas, seperti terlihat pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Kipas udara aliran axial 2.3 Prinsip Kerja Tata Udara Bahan Refrigeran yang mudah menguap diberi tekanan oleh kompresor, dan keluar keruang evaporator melalui katup ekspansi. Karena adanya tekanan besar, maka refrigeran yang keluar katup ekspansi berupa embun. Embun

9 14 refrigeran menguap, dimana dalam proses penguapan diperlukan panas, dan panas diambil dari dinding evaporator, dimana terjadi perpindahan panas konduksi mengambil panas dari bagian luar dinding evaporator. Dengan Fan (blower), maka udara yang dihembuskan melalui dinding luar evaporator masuk ruangan yang dikondisikan. Udara mengalami perpindahan panas konveksi dengan dinding luar evaporator, sehingga menjadi dingin. Hembusan udara dingin inilah yang mendinginkan ruangan yang dihembuskan oleh Fan tersebut. Embun Refrigeran kemudian melalui suatu alat perpindahan panas (heat exchanger) yang disebut sebagai kondensor, mencairkan refrigeran sampai menjadi cair kembali. Pada siklus ini panas yang diterima oleh refrigeran dibuang keluar melalui pipa-pipa kondensor ke udara luar. Cairan refrigeran kembali masuk ke kompresor dan mengalami proses ulang seperti diatas. Panas yang keluar dari kondensor sering dimanfaatkan pada unit AC besar, dan proses ini disebut sebagai Heat Recovery. Panas buang yang diambil ini pada umumnya dipakai untuk memanaskan air, dan digunakan untuk mandi atau keperluan lainnya. Dari kelima komponen utama dalam sistem tertutup ini, maka kompresorlah memerlukan biaya paling besar, mencapai 75% sampai 80%. 2.4 Macam Peralatan Tata Udara untuk Gedung a. Window AC Tipe AC ini sudah jarang digunakan, karena unit tersebut memerlukan lobang didinding sebesar unitnya dimana dibelakang dinding harus menghadap

10 15 kearah luar gedung untuk pelepasan panas dari kondensor. Dengan demikian tidak memungkinkan untuk menempatkan unit tersebut dimana belakang dindingnya adalah ruangan yang terpakai, apalagi yang juga dikondisikan. Pada umumnya tipe AC ini dibawah 2 PK. b. Mini split AC Disebut split, karena kompresor dan kondensor berada dalam satu unit diluar gedung, sedangkan evaporator dan fan (blower) berada didalam ruangan. Untuk menghubungi kedua unit terpisah hanya diperlukan 2 pipa dengan lobang didinding relatif kecil. Evaporator dan blower dalam satu unit dapat ditempatkan dengan beabs, baik untuk segi teknisnya maupun segi estetikanya. Untuk tipe ini dapat dirancang 1 unit luar (outdoor) dan dua atau lebih unit dalam (indoor). Dan disebut dengan multi split. Unti outdoor dapat ditempatkan diatas lantai atau ditempelkan didinding gedung, sedangkan unit indoor, ada unit untuk duduk dilantai dan ada unit ditempel didinding. Dalam perkembangan mini split, maka salah satu jenis split buatan taiwan, Nutec, dengan hak paten dibeberapa negara juga di Indonesia, dapat memberi penghematan sebesar 40% dibandingkan mini split konvensional yang ada dipasaran Indonesia. Pengembangan tipe ini hanya pada kondensor dengan tambahan pendinginan dengan kain khusus yang menyelimuti pipa kondensor dan penambahan pipa air untuk menteteskan air secara periodik keatas kain tersebut. Pada umumnya tipe AC ini dibawah 5 PK. c. Split duct AC

11 16 Sesuai dengan sebutannya tipe AC ini juga memisahkan unit utama, yang terdiri dari kelima komponen utama, dengan penyaluran udara dingin menggunakan terowongan udara dingin yang disebut dengan ducting. Ducting ini dihubungkan dengan ruangan-ruangan yang mau dikondisikan, masuk ruangan melalui pengatur yang disebut dengan diffuser. Sistem ini di Indonesia disebut sebagai sentral AC. Kebocoran udara dingin diducting menjadi salah satu penyebab utama kerugian energi di tipe split duct AC ini. Dalam desain gedung dnegan sistem ini harus perlu didesain alur dari ducting, sehingga jangan sampai ducting ini banyak berbelok ataupun harus menembus kolom-kolom beton. Pada umumnya tipe AC ini 5 PK sampai 25 PK. d. Chiller Air Conditioning Chiller atau mesin refrigerasi adalah peralatan yang biasanya menghasilkan media pendingin utama untuk bangunan gedung, dengan mengkonsumsi energi secara langsung berupa energi listrik, termal atau mekanis, untuk menghasilkan air dingin (chilled water) dan membuang kalor ke udara (atmosfir) melalui menara pendingin (cooling tower) atau kondensor. Beberapa jenis chiller dilihat dari sistem pendinginan, adalah : Air Cooled Chiller Water Cooled Chiller Perbedaan antara air cooled chiller dan water cooled chiller, yaitu : Air Cooled Chiller :

12 17 Efisiensi rendah Waktu pemasangan cepat Biaya perawatan rendah Water Cooled Chiller Efisiensi tinggi Waktu pemasangan lebih lama Biaya perawatan tinggi Air cooled Chiller (ACC) Mesin refrigerasi dengan pendinginan udara (air cooled chiller, pada prinsipnya hampir sama dengan split duct AC, tetapi dalam ukuran besar. Unit mesin ini pada umumnya berada diatas atap beton dari sebuah bangunan. Komponen utama dari 1 unit ACC adalah 2 kompresor atau lebih, dengan katup ekspansi dan evaporator berada dalam unit utama, termasuk kondensornya. Evaporator mendinginkan air dan air dingin disirkulasi kesetiap tingkat melalui alat pengatur udara (Air handling unit atau disingkat AHU. Dari AHU dengan blower besar menyalurkan udara dingin, yang diperoleh dari hembusan melalui pipa-pipa aliran air dingin unit utama diatas, keruangan yang akan dikondisikan. Udara dingin yang masuk kedalam ruangan dari AHU ini diatur dengan diffuser yang ada disetiao ruangan. Atau kadang-kadang dengan pipa-pipa langsung keruangan melalui alat kipas koil (Fan Coil Unit disingkat FCU).

13 18 Dalam desain gedung, bila menggunakan air cooled chiller perlu diperhatikan lokasi dan luas atap beton untuk penempatan unti-unit chillernya. Yang sering kurang diperhatikan dalam desai atap untuk air cooled chiller adalah akses untuk pemeliharaan unit tersebut. Ada kalanya terjadi perubahan desain dari water cooled chiller ke air cooled chiller, karena terutama masalah waktu instalasi ataupun keadaan air setempat. Tetapi perubahan seperti itu pada akhirnya berakibat fatal terhadap konstruksi air cooled chiller tersebut yang mengambil ruang (space) apa adanya Water cooled Chiller Mesin refrigerasi dengan pendinginan air (Water cooled chiller), pada prinsipnya hampir sama dengan mesin refrigerasi pendinginan udara (air cooled chiller) dalam distribusi udara dingin melalui AHU atau FCU. Perbedaan utamanya adalah pendinginan refrigerannya, bukan dengan udara, tetapi dengan air dimana airnya didinginkan melalui menara air atau cooling tower. Mesin refrigerasi dengan pendinginan air, pada umumnya ditempatkan dalam lantai bawah (basement) suatu bangunan. Dalam desain yang perlu diperhatikan adalah ventilasi keruangan chiller harus dihitung dengan baik, agar ruangan tersebut jangan menjadi neraka bagi pengerjanya. Sama halnya dengan mesin refrigerasi pendinginan udara, refrigeran dari kompresor ditekan melalui katup ekspansi masuk berembun dalam alat evaporator. Evaporator mendinginkan air dan air dingin disirkulasi kesetiap tingkat melalui alat pengatur udara (air handling unit disingkat AHU). Dari AHU dengan blower besar menyalurkan udara dingin, yang diperoleh dari hembusan

14 19 melalui pipa-pipa aliran air dingin unit utama diatas, keruangan yang akan dikondisikan. Udara dingin yang masuk kedalan ruangan dari AHU ini diatur dengan diffuser yang ada disetiao ruangan, atau kadang-kadang dengan pipa-pipa langsung keruangan melalui alat kipas koil (FCU). Pendinginan air melalui menara air (cooling tower), dalam desain gedung perlu diperhatikan aliran udara yang diperoleh dari kipas udara. Aliran udara dan aliran air didalam menara pendingin ini dapat berlawanan arah (counter flow), arah melintang (cross flow), aliran paralel (paralel flow) aliran melalui dek atau aliran pancar Absorption Chiller Salah satu cara tertua untuk melakukan pendinginan suatu ruangan secara mekanis adalah teknologi absorbsi (absorption technology). Kelihatan tak masuk akal dengan membakar sesuatu untuk menghasilkan pendinginan, tetapi hal itu yang terjadi dalam suatu chiller absorpsi. Teknologi absorbsi ini sebenarnya mudah pengoperasiannya maupun pemeliharaannya, tetapi pada masa kini teknologi ini mulai hampir tidak digunakan karena tidak fleksibel penggunaannya.

15 20 Gambar 2.3 Flow proses chiller Refrigeran yang digunakan oleh chiller jenis ini adalah sebenarnya air, karena perubahan fase yang terjadi dan yang memberi dampak pendinginan adalah melalui media air. Fluide kedua yang mengatur proses ini adalah garan, yang dikatakan sebagai Litium Bromida. Panas dibutuhkan untuk memisahkan kedua fluida ini, yang kemudian dipertemukan kembali dalam lingkungan yang hampir vakum. Air ini mengalami perubahan fase pada waktu dicampur kembali dengan garam pada suhu yang sangat rendah, (pada tekanan atmosfir yang normal, air menguap pada suhu 212F, dalm suatu alat absorbsi, air menguap cukup dingin untuk menghasilkan air dingin pad 46F.

16 21 Karena suhu air dingin yang dihasilkan oleh chiller absorbsi paling rendah adalah 46F, maka chiller jenis iji tidak dapat digunakan dalam penerapan refrigerasi dengan suhu rendah. Peralatan tata udara dengan sistem absorbsi ini sebenarnya sangat efisien dan pemeliharaanya mudah, tetapi bila ada kerusakan pada peralatan ini perbaikannya memerlukan waktu lama dan biaya yang besar. Bahkan untuk kerusakan tertentu, maka seluruh unti tidak dapat difungsikan kembali. Ini menyebabkan penggunaan peralatan pengkondisian udara dengan sistem absorbsi ini kurang diminati Prinsip Kerja Chiller Prinsip kerja secara sederhana pada unit penanganan udara ini adalah menyedot udara dari ruangan (return air) yang kemudian dicampur dengan udara segar dari lingkungan (fresh air) dengan komposisi yang bisa diubah-ubah sesuai keinginan. Campuran udara tersebut masuk menuju AHU melewati filter, fan sentrifugal dan koil pendingin. Setelah itu udara yang telah mengalami penurunan temperatur didistribusikan secara merata ke setiap ruangan melewati saluran udara (ducting) yang telah dirancang terlebih dahulu sehingga lokasi yang jauh sekalipun bisa terjangkau. Beberapa kelemahan dari sistem ini adalah jika satu komponen mengalami kerusakan dan sistem AC sentral tidak hidup maka semua ruangan tidak akan merasakan udara sejuk. Selain itu jika temperatur udara terlalu rendah atau dingin maka pengaturannya harus pada termostat di koil pendingin pada komponen AHU.

17 Komponen Penting pada Sistem Chiller a. Cooling Tower Sistem AC Sentral Gambar 2.4 Cooling Tower Salah satu komponen utama pada AC sentral selain chiller, AHU, dan ducting adalah cooling tower atau menara pendingin. Fungsi utamanya adalah sebagai alat untuk mendinginkan air panas dari kondensor dengan cara dikontakkan langsung dengan udara secara konveksi paksa menggunakan fan/kipas. Konstruksi cooling tower terdiri dari system pemipaan dengan banyak nozzle, fan, blower, bak penampung, casing, dsb. Proses yang terjadi pada chiller atau unit pendingin untuk system AC sentral dengan system kompresi uap terdiri dari proses kompresi, kondensasi, ekspansi dan evaporasi. Proses ini terjadi dalam satu siklus tertutup yang menggunakan fluida kerja berupa refrigerant yang mengalir dalam system pemipaan yang terhubung dari satu komponen ke komponen lainnya. Kondensor pada chiller biasanya berbentuk water-cooled condenser yang menggunakan air untuk proses pendinginan refrigeran. Secara umum bentuk konstruksinya berupa shell & tube dimana air mengalir memasuki shell/ tabung dan uap refrigeran superheat mengalir dalam pipa yang berada di dalam tabung

18 23 sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Uap refrigeran superheat berubah fasa menjadi cair yang memiliki tekanan tinggi mengalir menuju alat ekspansi, sementara air yang keluar memiliki temperatur yang lebih tinggi. Karena air ini akan digunakan lagi untuk proses pendinginan kondensor maka tentu saja temperaturnya harus diturunkan kembali atau didinginkan pada cooling tower. Langkah pertama adalah memompa air panas tersebut menuju cooling tower melewati system pemipaan yang pada ujungnya memiliki banyak nozzle untuk tahap spraying atau semburan. Air panas yang keluar dari nozzle secara langsung melakukan kontak dengan udara sekitar yang bergerak secara paksa karena pengaruh fan/blower yang terpasang pada cooling tower. Sistem ini sangat efektif dalam proses pendinginan air karena suhu kondensasinya sangat rendah mendekati suhu wet-bulb udara. Air yang sudah mengalami penurunan temperature ditampung dalam bak/basin untuk kemudian dipompa kembali menuju kondensor yang berada di dalam chiller. Pada cooling tower juga dipasang katup make up water yang dihubungkan ke sumber air terdekat untuk menambah kapasitas air pendingin jika terjadi kehilangan air ketika proses evaporative cooling tersebut. Prestasi menara pendingin biasanya dinyatakan dalam range dan approach, dimana range adalah penurunan suhu air yang melewati cooling tower dan approach adalah selisih antara udara suhu udara wet-bulb dan suhu air yang keluar. Perpindahan kalor yang terjadi pada cooling tower berlangsung dari air ke udara tak jenuh. Ada dua penyebab terjadinya perpindahan kalor yaitu perbedaan suhu dan perbedaan tekanan parsial antara air dan udara. Suhu pengembunan yang

19 24 rendah pada cooling tower membuat sistem ini lebih hemat energi jika digunakan untuk system refrigerasi pada skala besar seperti chiller. Salah satu kekurangannya adalah bahwa sistem ini tidak praktis karena jarak yang jauh antara chiller dan cooling tower sehingga memerlukan system pemipaan yang relative panjang. Selain itu juga biaya perawatan cooling tower cukup tinggi dibandingkan system lainnya.