TEMU ILMIAH IPLBI 2014 Efektifitas fasad selubung ganda dala engurangi beban panas pada dinding luar bangunan Rosady Mulyadi Laboratoriu Sains dan Teknologi Bangunan, Progra Studi Arsitektur, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin. Abstrak Penelitian ini adalah penelitian eksperiental elalui siulasi nuerik berbantuan koputer untuk engetahui efektifitas fasad selubung ganda dala engurangi beban panas pada dinding luar. Model fasad selubung ganda yang digunakan terdiri atas selubung luar, selubung dala, eleen peneduh, bukaan bawah dan bukaan atas sebagai gerbang asuk dan keluarnya udara elalui rongga udara yang tercipta antara selubung luar dan selubung dala. Siulasi dilakukan untuk endapatkan data teperatur pada rongga selubung, teperatur kaca, teperatur eleen peneduh, transfer panas radiasi, transittansi teral, dan julah exhaust-heat. Data tersebut digunakan untuk enghitung besaran u-value dan SC dari fasad selubung ganda. Hasil perhitungan besaran beban panas dengan MicroHASP/TES enunjukkan bahwa lebih dari 57.7% dari beban panas pada zona perieter di waktu puncak dapat direduksi pada selubung barat dan tiur. Sebanyak 11% dari total load dapat direduksi jika dibandingkan dengan fasad kaca tunggal 8 dan % dari total load dapat dikurangi jika dibandingkan dengan fasad kaca ganda 6. Kata-kunci : fasad selubung ganda, beban panas, roo load, fresh air load, cooling load. Pengantar Bangunan yang efisien dala konsusi energi seakin urgen dan dibutuhkan di Indonesia pada era krisis energi tak terbaharukan seperti sekarang ini. Berdasarkan data dari Keenterian Energi dan Suberdaya Mineral, bangunan enghabiskan sekitar 50% dari total konsusi energi di Indonesia. Lebih lanjut disebutkan bahwa lebih dari 70% dari total konsusi energi listrik di Indonesia digunakan untuk konsusi energi listrik pada bangunan. Sekitar 50% dari konsusi energi listrik pada bangunan digunakan untuk enciptakan ikli dala ruangan buatan elalui pendinginan, ventilasi, dan pencahayaan. Dari total biaya keseluruhan untuk operasional bangunan, energi listrik enghabiskan sekitar 25% biaya operasional bangunan (Gunawan dkk, 2012). Dewasa ini, telah berkebang banyak strategi disain fasad bangunan yang bertujuan untuk engurangi konsusi energi listrik pada bangunan, salah satunya adalah fasad selubung ganda. Fasad selubung ganda erupakan salah satu strategi disain fasad bangunan yang bertujuan untuk engurangi beban panas pada dinding luar bangunan akibat pengaruh ikli, seperti radiasi atahari dan teperatur lingkungan. Fasad selubung ganda adalah suatu siste konstruksi fasade bangunan yang terdiri atas dua selubung (selubung luar dan dala). Diantara kedua selubung tersebut terdapat rongga yang berisi udara dan dapat ditabahkan eleen peneduh berupa horizontal-blind. Di bagian atas dan bawah dari konstruksi fasad tersebut terdapat bukaan (inlet and out-let) sebagai wadah pertukaran udara dari luar ke dala selubung dan sebaliknya. Dengan konstruksi selubung seperti ini, akan terjadi proses pertukaran udara di dala selubung yang akan engalirkan panas dari dala selubung sehingga enyebabkan beban Prosiding Teu Iliah IPLBI 2014 1
Efektifitas fasad selubung ganda dala engurangi beban panas pada dinding bangunan panas perukaan selubung bagian dala akan berkurang (Mulyadi, 2012). Metode Penelitian ini adalah penelitian eksperiental elalui siulasi nuerik dengan bantuan koputer. Siulasi nuerik dilakukan dengan enggunakan Fortran. Model fasad selubung ganda yang digunakan dipenelitian ini diilustrasikan sebagai berikut: Selubung luar Eleen peneduh (horizontal blind) H=18.5 W=1 z Air inlet Bukaan bawah Segent Segent 9 Segent 8 Segent 7 Segent 6 Segent 5 Segent 4 Segent 3 Segent 2 Segent 1 Air outlet D 5 th floor 4 th floor 3 rd floor 2 nd floor 1 st floor Bukaan atas Selubung dala Gabar 1. Model fasad selubung ganda H: Height of double-skin W: Width of double-skin D: Depth of double-skin z: Height of segent Model fasad selubung ganda ini terdiri atas selubung luar, selubung dala, eleen peneduh, bukaan bawah dan bukaan atas sebagai gerbang asuk dan keluarnya udara elalui rongga udara yang tercipta antara selubung luar dan selubung dala. Berikut ini adalah ilustrasi siulasi nuerik dengan prinsip heat-balance pada fasad selubung ganda. Radiasi Matahari θ o h o Selubung luar θ og I a,og radiasi radiasi h r,og, h r,sd h r,sd, h r,ig θ air I a,sd θ sd θ air h c,og h c,sd h c,sd h c,ig konveksi konveksi I a,ig θ ig Eleen peneduh h i θ i I tran Selubung dala Gabar 2. Outline siulasi nuerik pada fasad selubung ganda Heat-balance pada selubung luar: ho og o hr, og og Gog n, sd n sd...(1) n1 h c, og og air a, og I Heat-balance pada selubung dala: hr, ig ig Gsd,, n ig n sd hc ig ig air...(2) n1 h I i ig i a, ig Heat-balance pada eleen peneduh: 2hc, sd sd air hr, sd sd Gsdn, og n og n1...(3) h G I r, sd sd sdn, ign ig a, sd n1 Heat-balance pada lapisan udara di dala rongga selubung ganda: air aircair hc, og og air z...(4) h 2h c, ig ig air c, sd sd air Diana: h o = perpindahan panas pada selubung luar [W/ 2.K] θ og = teperatur selubung luar [ ] θ o = teperatur lingkungan [ ] h r,og = perpindahan panas radiatif pada selubung luar [W/ 2.K] G og,sd = koefisien absorpsi eisi selubung luar ke eleen peneduh [-] θ sd = teperatur eleen peneduh [ ] h c,og = perpindahan panas konvektif pada selubung luar [W/ 2.K] θ air = teperatur rongga udara pada selubung ganda [ ] I a,og = radiasi yang terserap di selubung luar ρ air = kepadatan udara di rongga udara selubung ganda [kg/ 3 ] c air = kapasitas panas dari udara yg terdapat di rongga udara selubung ganda [j/ 3.K] v z = kecepatan aliran udara di rongga udara selubung ganda [/s] z = ketinggian tiap-tiap segen pada selubung ganda [] h c,ig = perpindahan panas konvetif pada selubung dala [W/ 2.K] θ ig = teperatur selubung dala [ ] 2 Prosiding Teu Iliah IPLBI 2014
Tie loop Kalkulasi konvergen dari ventilasi h c,sd = perpindahan panas konvektif pada eleen peneduh [W/ 2.K] h r,sd = perpindahan panas radiatif pada eleen peneduh [W/ 2.K] I a,sd = radiasi yang terserap di eleen peneduh h r,ig = perpindahan panas radiatif pada selubung dala [W/ 2.K] h i = perpindahan panas pada selubung dala [W/ 2.K] I a,ig = radiasi yang terserap pada selubung dala n = julah segen Rosady Mulyadi 1 Ventilasi alai dengan etode stack-effect dan teperatur di dala rongga udara selubung ganda dikalkulasi enurut prinsip-prinsip heatbalance. Baik distribusi teperatur dan volue ventilasi dikalkulasi hingga encapai kondisi konvergen. Start Input data kondisi disain Beberapa hal yang enjadi pertibangan pada siulasi ini adalah sebagaiana dapat dilihat pada tabel 1 dan diagra alir pada gabar 3 berikut. Tabel 1. Disain dan kondisi operasional dari siulasi nuerik Input data ikli dan data operational Kalkulasi teperatur (rongga udara kaca eleen peneduh) Kalkulasi ventilasi Uraian Nilai Aziuth selubung utara [ ] 0 Aziuth selubung tiur [ ] 90 Aziuth selubung selatan [ ] 180 Aziuth selubung barat [ ] 270 Sudut inklinasi selubung [ ] 90 Sudut keiringan eleen peneduh [ ] 45 Rasio transittansi eleen peneduh [-] 0.1 Rasio absorptansi eleen peneduh [-] 0.5 Eisivitas eleen peneduh [-] 0.95 Eisivitas kaca [-] 0.837 Koefisien alir bukaan atas dan bawah [-] 0.65 Area bukaan atas dan bawah [ 2 /] 0.30 Reflektansi perukaan tanah [-] 0.14 Apakah kalkulasi ventilasi konvergen? Output hasil kalkulasi Kalkulasi berakhir? End Yes Yes Gabar 3. Diagra alir siulasi No No Pada bagian input data kondisi disain, ite yang diinput antara lain: spesifikasi selubung ganda dan bukaan, karakteristik teral dari kaca dan eleen peneduh, pressure loss of ventilation route, dan orientasi selubung. Pada bagian input data ikli dan operasional, hal-hal yang diinput adalah: kondisi eleen peneduh, kondisi bukaan, setting indoor teperatur, teperatur lingkungan, dan data radiasi atahari. Siulasi dijalankan berdasarkan paraeter operasional sebagaiana terlihat pada tabel 1. Diulai pada ja 08:00 hingga 17:00. Teperatur indoor diset pada suhu 25C. Selaa waktu operasional, bukaan bawah dan atas selubung diasusikan terbuka penuh sepanjang tahun. Saat radiasi atahari encapai perukaan selubung luar, teperatur di dala rongga udara selubung ganda akan eningkat secara perlahan. Dengan in-let yang terbuka, akan eberi peluang asuknya udara enuju rongga udara sehingga dengan deikian udara panas di dala rongga selubung akan diventilasikan ke luar elalui out-let. Siulasi tersebut enghasilkan data: teperatur pada rongga selubung, teperatur kaca, teperatur eleen peneduh, transfer panas radiasi, transittansi teral, dan julah exhaust-heat. Prosiding Teu Iliah IPLBI 2014 3
SC [-] U [W/ 2.K] Efektifitas fasad selubung ganda dala engurangi beban panas pada dinding bangunan Selanjutnya dilakukan penghitungan u-value dan shading coefficient (SC) fasad selubung ganda. Metode Least-Square digunakan untuk enentukan forula dari u-value dan SC dala kaitannya dengan radiasi atahari (IG) dengan enggunakan polynoial least-square sebagai berikut ini. U ai c...(5) b G SC di f...(6) e G Dari forula tersebut, dapat diforulasikan ruus untuk u-value dan SC sebagai berikut: U I G 0.389 SC 0.732I 0, 098... (8) 0.121 1.315 0.940...(7) G Kurva polynoial least-square dapat dilihat pada gabar berikut. 4.00 3.75 3.50 3.25 3.00 2.75 2.50 U 2.25 U = 1.315I 0.121 G 0.940 R 2 =0.903 U period = 3.45 2.00 0 0 200 300 400 500 600 700 800 900 00 I G Berdasarkan forula tersebut di atas, u-value dapat diperoleh elalui ruus berikut: U 0.121 1.315IG, k 0.940o, k i, k k 1 period = 3.45 k 1 o, k i, k dan nilai SC didapatkan sebagai berikut: SC period k 1 0.732I 0.098 I 0.389 G, k G, k I Gk, k 1...(9)...() 0.20 Setelah u-value dan SC ditentukan, selanjutnya adalah penghitungan beban panas pada selubung. Pada bagian ini, perbandingan dilakukan atas 3 odel selubung yakni sebagaiana dapat dilihat pada tabel berikut untuk engetahui efektifitas fasad selubung ganda dala engurangi beban panas pada dinding bangunan. Beban panas pada bangunan dihitung dengan enggunakan perangkat lunak MicroHASP/TES. Tabel 2. u-value dan SC odel selubung Jenis selubung U-value [W/( 2 K)] SC [-] Kaca tunggal 8 3.6 0.52 Kaca ganda 6 2.19 0.52 Fasade selubung ganda 3.45 0.20 Gabar 4. Kurva polynoial u-value 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 0 200 300 400 500 600 700 800 900 00 I G Gabar 4. Kurva polynoial SC SC SC = 0.732I G -0.389 +0.098 R 2 =0.927 SC period = 0.20 Setting teperatur ruangan 25 C, kelebaban relatif 50% dan volue udara segar sebanyak 30 3 /ja/orang. Ketika kasus tersebut pada tabel 2 di atas dianggap eiliki kesaaan kondisi indoor. Selanjutnya, perolehan panas internal bersuber pada aktivitas yang terjadi di dala ruangan dala hal ini digunakan aktivitas seated light work and typing dengan kepadatan pengguna sebesar 0.15 orang/ 2 dengan julah beban sensibel dan laten asing-asing sebesar 75Watt. Panas dari lapu sebesar W/ 2 dan OA achine sebesar 21 W/ 2. 4 Prosiding Teu Iliah IPLBI 2014
Heat load [kw] Jadwal aktifitas kegiatan diulai dari ja 08:00. Pada ja 12:00-13:00 diasusikan 50% pengguna beristirahat untuk akan siang dan shalat serta elakukan aktivitas lain diluar ruangan sehingga penggunaan lapu dan OA achine lainnya berkurang hingga 70%. Aktivitas berakhir pada pukul 18:00. Pada hari Sabtu dan Minggu di asusikan tidak ada aktivitas di dala bangunan. Siste pengkondisian udara dijadwalkan ulai satu ja lebih awal dari jadwal kegiatan kantor untuk engkondisikan udara di dala ruangan sebagaiana yang telah ditentukan. Diharapkan bahwa teperatur di dala ruangan akan encapai 25 C saat pukul 08:00 ketika ja kantor diulai. Siste pengkondisian udara akan berhenti beroperasi saat ja kantor berakhir pada pukul 16:00. Siulasi dilakukan dengan asusi durasi selaa setahun operasional. Siulasi tersebut enghasilkan roo load dan fresh air load dari asing-asing zona perieter dan zona interior. Rosady Mulyadi 1 8 sebesar 27.4 kw, selubung tunggal dengan kaca ganda tebal 6 sebesar 26.3 kw dan fasad selubung ganda sebesar 11.8kW. Pada sisi dinding tiur, besaran beban panas pada selubung dengan kaca tunggal tebal 8 sebesar 21.4kW, selubung tunggal dengan kaca ganda tebal 6 sebesar 21.1kW, dan fasad selubung ganda sebesar 8.9kW. Jika diasusikan bahwa fasad selubung tunggal dengan kaca tunggal setebal 8 sebagai baseline, aka penggunaan fasad selubung ganda apu ereduksi beban panas sebesar 12.5kW atau sekitar 58%. Sedangkan bila dibandingkan dengan fasad selubung tunggal dengan kaca ganda 6, fasad selubung ganda apu ereduksi beban panas sebesar 57%. Secara keseluruhan, jika dibandingkan dengan kedua tipe fasad tersebut aka fasad selubung ganda apu engurangi beban panas pada dinding luar bangunan sebesar 57.7%. Hasil tersebut enujukkan bahwa fasad selubung ganda efektif dala engurangi beban panas pada dinding bangunan. Bangunan yang disiulasikan berlokasi dipusat kota Makassar dengan fungsi utaa kantor sewa dengan 23 lantai. 25 8 single-glass 6 pair glass Double-skin facade 20 15 21.4 21.1 27.4 26.3 5 8.9 11.9 0 EPZ Perieter zone WPZ Gabar 5. Beban puncak pada zona perieter Gabar 6. Model bangunan Analisis dan Interpretasi Berdasarkan hasil siulasi dengan MicroHASP/TES didapatkan besaran beban panas pada dinding barat dan tiur. Pada dinding barat, besaran beban panas untuk fasad tipe selubung tunggal dengan kaca tunggal tebal Pada perhitungan roo load dan fresh air load pada zona perieter didapatkan besaran cooling load pada fasad selubung tunggal dengan kaca ganda sebesar 1325.38kW terbagi atas fresh air load sebesar 412.64kW dan roo load sebesar 912.74. Total cooling load untuk fasad selubung tunggal dengan kaca ganda tebal 6 adalah sebesar 1306.61kW terdiri atas fresh air load sebesar 412.64kW dan roo load sebesar Prosiding Teu Iliah IPLBI 2014 5
Cooling load [kw] Efektifitas fasad selubung ganda dala engurangi beban panas pada dinding bangunan 893.97kW. Pada fasad selubung ganda, besaran fresh air load adalah 412.64kW dan roo load sebesar 737.14kW dengan total cooling load sebesar 1149.78kW. Perbedaan besaran roo load disebabkan oleh perbedaan jenis fasad. Sebagaiana terlihat pada gabar 6, jika dibandingkan antara roo load dari fasad selubung ganda dengan kedua fasad jenis lainnya, sekitar 19% roo load dapat direduksi jika dibandingkan dengan 8 fasad kaca tunggal dan sekitar 16% roo load dapat direduksi jika dibandingkan dengan fasad kaca ganda. Secara total, sebanyak 11% dari total load dapat direduksi jika dibandingkan dengan 8 fasad kaca tunggal dan % dari total load dapat dikurangi jika dibandingkan dengan 6 fasad kaca ganda. 1400 1200 00 800 600 400 200 0 412.64 912.74 Fresh Air Load 412.64 8 single glass 6 pair glass Double-skin facade 912.74 893.97 Facade types Roo Load 412.64 737.14 Gabar 5. Beban puncak pada zona perieter Analisis tersebut di atas enunjukkan bahwa fasade selubung ganda efektif dala engurangi pengaruh eksternal seperti radiasi panas atahari dan teperatur udara luar terhadap besaran julah panas yang asuk ke dala bangunan elalui dinding luar. Efektivitas fasad selubung ganda tersebut disebabkan oleh adanya dua lapis dinding yang apu enahan laju perpindahan panas dari luar ke dala bangunan serta adanya bukaan untuk ventilasi (in-let dan out-let). berfungsi untuk engalirkan udara dari luar ke dala selubung dan selanjutnya engalirkannya dari dala selubung ke udara luar enyebabkan udara panas yang terdapat di dala selubung enjadi tersirkulasi dengan baik. Di bagian ini, prinsip stack-effect berfungsi dengan baik sehingga akuulasi panas yang terdapat di dala selubung tersirkulasi elalui bukaan outlet. Kesipulan Telah disapaikan pada bagian analisis dan interpretasi bahwa berdasarkan hasil siulasi yang dilakukan ebuktikan bahwa fasad selubung ganda efektif dala engurangi panas yang asuk ke dala bangunan elalui dinding luar jika dibandingkan dengan fasad tunggal dengan dinding kaca tebal 8 dan fasad selubung tunggal dengan dinding kaca ganda tebal 6. Hasil perhitungan besaran beban panas dengan MicroHASP/TES enunjukkan bahwa lebih dari 57.7% dari beban panas pada zona perieter di waktu puncak dapat direduksi pada selubung barat dan tiur. Sebanyak 11% dari total load dapat direduksi jika dibandingkan dengan 8 fasad kaca tunggal dan % dari total load dapat dikurangi jika dibandingkan dengan 6 fasad kaca ganda. Daftar Pustaka Gunawan, B., Budiharjo, Juwana, J. S., Priatan, J., Sujatiko, W., & Sulistianto, T. (2012). Buku Pedoan Energi Efisiensi untuk Disain Bangunan Gedung di Indonesia. Jakarta: Energy Efficiency and Conservation Clearing House Indonesia-Direktorat Jenderal Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi Energi, Keenterian Energi dan Suber Daya Mineral. Mulyadi, R. (2012). Study on Naturally Ventilated Double-skin Facade in Hot and Huid Cliate (Dissertation). Nagoya: Departent of Environental Engineering and Architectural Design Graduate School of Environental Studies Nagoya University. Bukaan in-let dan out-let tersebut enjadi kunci efisiensi dari fasad selubung ganda tersebut oleh karena dengan keberadaannya yang 6 Prosiding Teu Iliah IPLBI 2014