BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian dan Fungsi Tata Udara Tata udara (Air Conditioning) adalah ilmu praktis dalam usaha mengembangkan iklim yang terkendali dalam suatu ruangan (indoor space). Fungsi sistem tata udara adalah: 1. Mengatur temperatur agar tetap stabil pada level yang diharapkan 2. Mengatur kelembaban udara (humidity atau moisture content), 3. Kecepatan sirkulasi udara dan tekanan udara ruangan (air movement), 4. Mengatur jumlah partikel didalam ruangan atau menjaga kebersihan udara dengan kualitas yang telah ditentukan (air purity). 2.2. Klasifikasi Tata Udara 2.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Fungsi Utama a. Pengkondisian udara atau tata udara untuk kenyamanan (comfort air conditioning) adalah proses perlakuan terhadap udara ruangan untuk mengatur temperatur, kelembaban, kebersihan dan pendistribusianya secara bersamaan guna mencapai kondisi nyaman yang dibutuhkan oleh penghuni yang berada didalamnya.
b. Tata udara untuk industri (Industrial Air Conditioning) adalah usaha menciptakan lingkungan yang memiliki kelembaban dan temperatur yang telah ditentukan pada sebuah industri. Biasanya dipakai untuk mengatur ruangan yang bertemperatur sangat tinggi atau sangat rendah tergantung industri yang memakainya. 2.2.2. Klasifikasi Berdasarkan Proses Pendinginan a) Sistem tata udara langsung (direct direct expantion refrrigrean) Proses pendinginan udara langsung dilakukan oleh refrigrean (working fluid). Panas atau kalor dari ruangan secara langsung deserap oleh refrigreant. Jenisnya adalah : AC Window, AC Split Unit, AC Package Unit, AC Ductid Split Unit. a. AC Window Kondensor, kompresor, evaporator dan blower berada pada satu alat. Biasanya dipasang dengan cara melubangi dinding untuk sirkulasi udaranya. Air yang disebabkan proses kondensasi ditampung dibagian bawah kotak untuk disalurkan keluar.
Gambar 2.1 : AC Window b. AC Split Unit Untuk jenis AC Split dengan kapasitas yang besarnya unit dalam ruangan dapat terdiri lebih dari satu unit (multi split). Unit dalam ruangan mempunyai berbagai alternatif pemasangan, antar lain di dinding (wall mounted), di langit-langit (ceiling mounted), dan dilantai (floor mounted). Selain itu ada juga yang dipasang di tengah ruangan (model casette). Gambar 2.2 : AC Split
c. AC Package Unit Tata udara yang sama aplikasinya dengan AC Window, hanya saja kapasitasnya lebih besar yaitu 3 sampai dengan 10 TR (Ton Refrigreant) sedangkan AC Window hanya berkapasitas 0,5 TR 2TR. d. AC Ducted Split Unit Sistem ini adalh jenis gabungan AC Sentral yang menggunakan AHU (Air Handling Unit) dan AC Split dimana udara yang dikondisikan oleh AHU disalurkan melalui saluran udara (ducting) ke beberapa ruangan. Gambar 2.3 : AC Ducted Split Unit Komponen-komponen Utama Ducted Split Unit: 1. Water Boiler Menghasilkan air panas dibawah temperatur tertentu pada suhu yang tinggi.
2. Water Coil/ Heater Komponen ini berada di dalam unit AHU. Koil ini terbuat dari pipa tembaga dengan sirip-sirip yang terbuat dari tembaga atau aluminium dan berfungsi mentransfer panas-panas ke udara yang dihembus melalui koil. Pemanas ini biasanya berupa koil atau elemen heater listrik. 3. Kompressor Kompressor berfungsi mengubah tekanan dan suhu pada refrigreant dari semula rendah menjadi tinggi. Gas yang bersuhub dan bertekanan rendah dari evaporator dihisap oleh kompressor dan kemudian gas refrigreant tersebut dipadatkan hingga menjadi gas bertekanan dan bersuhu tinggi. Kompressor yang dipakai biasanya kompressor piston dan kompreesor ulir. 4. Kondensor Berfungsi untuk menurunkan tekanan suhu bahan pendingin dan merubah bentuknya dari gas menjadi cair. Bahan pendingin dengan suhu dan tekanan tinggi dalam gas mengalir masuk pada bagian atas dari kondensor. Karena kondensor mendapat pendingin dari udara yang mengalir dari pipa-pipa kondensor tersebut, maka bahan pendingin gas suhunya dapat turun lalu mengembun. Pada saat bahan pendingin keluar pada bagian bawah kondensor bentuknya telah berubah menjadi cairan yang kemudian dialirkan kembali. 5. Evaporator Berfungsi untuk menguapkan bahan pendingin cair dengan suhu dan tekanan rendah dengan menyerap panas dari udara yang mengalir melalui rusuk-rusuknya.
Bahan pendingin cair dengan suhu dan tekanan rendah dari pipa kapiler masuk ke evaporator dalam satu ruangan yang besar dan vakum, lalu cairan tersebut mendidih dan menguap serta menyerap panas dari udara yang mengalir melalui rusuk-rusuk pipa evaporator, maka cairan dapat berubah menjadi gas dengan suhu dan tekanan rendah. 6. Blower/ Fan Dirancang untuk menarik udara melewati koil dan mendorongnya menuju saluran suplai ke seluruh ruangan. 7. Filter Fungsinya adalah untuk menyaring udara balik dan udara segar dari luar ruangan sebelum masuk ke ruang yang dikondisikan. Filter ini dirancang memisahkan debu, serbuk, maupun benda-benda kecil asing lainnya. 8. Humidifer/ Penambah Kelembaban Udara Adalah sebuah penyemprot air dan memberikan tambahan campuran jika di butuhkan dalam aliran suplai udara selama siklus pemanas pada musim dingin. Pengoperasiannya dikontrol oleh alat yang disebut humidistat diletakkan pada ruangan yang dikondisikan atau pada saluran balik. 9. Air Conditioning Plenum Merupakan sebuah rumah lembaran logam yang besar yang membungkus seluruh permukaan yang berisi koil pemanas, koil pendingin, blower, filter saluran udara luar dan saluran udara balik dialirkan ke ruangan pencampur dibelakang blower dan filter.
10. Pemasok udara luar/ Ventilasi Membawa udara segar dari luar harus sesuai dengan ketentuan yang berlaku, biasanya berkisar 10 CFM per orang dalam ruangan yang dikondisikan. Ventilasi digunakan untuk mengukur udara tersebut. 11. Saluran udara balik (Return Air Duet). Membawa udara dari ruangan yang dikondisikan kembali ke AHU untuk pencampuran dengan udara luar dan pengkondisian ulang. 12. Thermostat Diletakkan pada ruangan yang dikondisikan yang bertindak sebagai master pengendali untuk sejumlah kontrol lainnya yang mana menjaga seluruh sistem beroperasi secara otomatis. b) Sistem Tata Udara Tidak Langsung (Indirect Expantion Refrigreant) Dalam sistem ini refrigreant yang digunakan langsung bukan freon tetapi air es (chilled water) dengan suhu sekitar 5 o C. Air es dihasilkan dalam chiller (mesin pembuat air es yang menggunakan refrigreant sebagai zat pendingin). Sistem ini dikenal sebagai sistem tata udara terpusat (Central Air Conditioning System). a) Unit Penghantar Udara (Air Handling Unit) Pada sistem ini, udara ditiupkan diantara kumparan yang berisi air es dalam unit penghantar udara (AHU). Dalam unit disamping terdapat kumparan pipa berisi air es (koil), terdapat juga blower dan saringan udara. Fungsi AHU adalah sebagai pengolah udara dengan tahapan sebagai berikut:
1) Mencampur udara balik dari ruangan dengan udara luar pada presentase tertentu. 2) Mendinginkan udara tersebut sesuai dengan suhu yang diinginkan. 3) Menyaring udara hingga bersih dari partikel-partikel yang tidak diinginkan. 4) Mengalirkan sejumlah udara dingin ke ruangan yang melalui saluran udara (ducting). b) Mesin Pembuat Air Es (Chiller) Dengan bantuan kompressor, kondensor, dan pendingin (cooler) dihasilkan sejumlah air dingin yang kemudian dipompakan dan dialirkan melalui pipa ke AHU yang memerlukannya, jenis umum yang digunakan adalah: Air Cooled Chiller After Cooled Chiller c) Kondensor (Condenser). Fungsinya adalah melepas kalor ke medium sekelilingnya (air atau udara) agar refrigerant dapat dikondensasikan dan dikirim kembali ke evaporator. d) Menara Pendingin (cooling Tower) Fungsinya adalah sebagai alat penukar kalor dan massa diantara air dengan udara, sehingga air pendingin kondensor dengan suhu tinggi dapat diturunkan dan untuk selanjutnya air dapat digunakan kembali untuk kebutuhan pendinginan kondensor. 2.3. Psikometri Merupakan kajian tentang sifat-sifat campuran udara dan uap air yang mempunyai arti penting di dalam teknik tata udara karena udara atmosfir tidak kering betul tetapi merupakan campuran antara udara dan uap air.
Pada beberapa proses tata udara kandungan air sengaja disingkirkan dari udara tetapi pada proses yang lain air ditambahkan. Prinsip psikometri akan diterapkan pada proses perhitungan beban dan pada sistem-sistem lainnya. a. Kelembaban Relatif (relative humidity) Perbandingan fraksi molekul uap air di dalam basah terhadap molekul uap air jenuh pada suhu dan tekanan yang sama. RH adalah suatu pengukuran dari tingkat kandungan uap air dalam udara pada temperatur boal kering yang diekspresikan dalam bentuk persentase uap air. Jika terdapat 100% RH maka mengindikasikan udara kering sempurna. RH sering dipakai untuk mendesain sistem pengkondisi udara suatu ruangan. b. Rasio Kelembaban (Humidity ratio) Adalah berat atau massa air yang terkandung di dalam setiap satu kilogram udara kering w = kg uap air/ kg udara. Sering digunakan untuk mendesain komponen tata udara seperti evaporator dan kondensor. c. Volume Spesifik Adalah volume udara campuran dengan satuan (m 3 /kg) udara kering. d. Temperatur bola kering Temperatur tersebut dapat dibaca pada termometer dengan sensor kering dan terbuka, namun penunjukannya tidaklah tepat karena adanya pengaruh radiasi panas, kecuali jika sensornya memperoleh ventilasi yang cukup baik.
e. Temperatur bola basah Dalam hal ini digunakan termometer yang dibalut dengan kain basah untuk menghilangkan pengaruh radiasi panas. Namun perlu diperhatikan bahwa melalui sensor harus terjadi aliran udara sekurang-kurangnya 5m/s. Temperatur bola basah kadang-kadang dinamai temperatur jenuh adiabatik (Adiabatic Saturated Temperature). f. Titik Embun Titik embun adalah temperatur air pada keadaan dimana tekanan uapnya sama dengan tekanan uap dari udara (lembab). Jadi, pada temperatur tersebut uap air dalam udara mulai mengembun dan hal tersebut terjadi apabila udara (lembab) didinginkan. g. Entalphi, I (kcal/ kg) Entalphi adalah energi kalor yang dimiliki oleh suatu zat pada suatu temperatur tertentu. 2.4. Perpindahan Kalor Kalor mengalir secara alami hanya dari benda yang lebih panas ke benda yang temperaturnya lebih rendah. Perpindahan kalor artinya adalah energi kalor yang melewati dari satu tempat ke tempat lain atau dari satu substansi ke yang lainnya. Ada 3 metode perpindahan kalor, yaitu: a) Konduksi (hantaran): yaitu proses perpindahan energi melalui sebuah medium stationer yang padat. Kepadatan aliran (flux) energi perpindahan kalor
secara konduksi pada sebuah batangan padat sebanding dengan suhu benda dan luas penampang serta berbanding terbalik dengan perpanjangan. b) Konveksi: yaitu perpindahan energi melalui medium cairan atau gas. Konveksi bisa digerakkan dengan menggunakan pompa untuk mensirkulasikan cairan atau menggunakan blower untuk mensirkulasikan udara. c) Radiasi: yaitu proses yang membawa energi dengan jalan pelompatan foton dari suatu permukaan ke permukaan lain. Radiasi dapat memindahkan energi menyebrangi ruang vakum dan tidak tergantung pada medium perantara untuk menghubungkan dua permukaan. Daya pancar (Emissive Power) sebanding dengan pangkat empat suhu absolutnya. Untuk radiator ideal biasanya berupa benda hitam. Benda nyata yang tidak berwarna hitam memancarkan energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan benda berwarna hitam pada suhu yang sama. 2.5. Siklus Refrigrasi Refrigrasi merupakan sistem sirkulasi zat pendingin secara terus menerus melewati komponen utama sistem pendingin (kompressor, kondensor, katup expansi, dan evopator). Proses siklus ini akan selalu konstan dan saling berkesinambungan satu sama lain. Apabila ada kebocoran atau tidak berfungsinya satu proses maka proses yang lain tidak akan bekerja. Hal ini berkaitan dengan zat pendingin yang bersifat tetap dan tidak berkurang meskipun mengalami perubahan wujud.
3 2 Kondensor Katup Expansi Kompresor 4 Evaporator 1 (a) Gambar 2.4 : Diagram Kompresi Uap Saat melewati komponen utama pendingin refrigrasi akan mengalami perubahan wujud, temperatur dan tekanannya. Sirkulasi refrigrasi dalam hal ini disebut sirkulasi refrigrasi kompresi uap. Dalam skema kerja refrigreant dapat dibagi menjadi empat tahapan kerja, yaitu: a) Proses Kompresi Proses kompresi dimulai ketika refrigreant meninggalkan evaporator dan dihisap oleh kompressor. Refrigreant ini berwujud gas atau uap bertemperatur rendah dan bertekanan rendah. Selanjutnya melalui kompressor refrigreant dikondisikan tetap berwujud gas atau uap tetapi memiliki tekanan dan temperatur yang tinggi. Hal itu bisa dilakukan karena kompressor bekerja menghisap dan mengkompresi refrigreant hingga mencapai tekanan kondensasi. Setelah tekanan dan suhu refrigreant dirubah selanjutnya dipompa dan dialirkan menuju kondensor.
b) Proses Kondensasi Proses ini dimulai ketika refrigreant meninggalkan kompressor. Refrigreant yang berwujud gas yang bertekanan dan temperatur tinggi dialirkan menuju kondensor. Didalam kondensor wujud gas refrigreant dirubah dari gas menjadi cairan dengan cara memindahkan panas refrigreant melalui cairan dan kipas. Setelah melalui kondensor zat refrigreant masih memiliki suhu dan tekanan yang tinggi. c) Katup Ekspansi Didalam katup ekspansi terjadi penurunan tekanan karena melewati celah yang sempit, karena tekanannya turun maka suhunya akan ikut turun sehingga menghasilkan refrigreant yang dingin. Selanjutnya refrigreant yang bertekanan dan bertemperatur rendah dialirkan menuju evaparator. d) Proses Evaporasi Proses ini dimulai dengan mengalirnya refrigreant cair yang bertekanan dan bertemperatur rendah masuk ke dalam evaporator. Dengan menggunakan blower maka terjadi proses perpindahan kalor dari ruangan ke dalam refrigreant. Maka suhu refrigreant akan menjadi tinggi kembali dan berubah menjadi uap. Selanjutnya uap tersebut akan dihisap kembali kedalam kompressor dan seterusnya terulang kembali. 2.6. Refrigerant Selain keempat komponen utama tersebut, di dalam sistem kompresi uap masih terdapat beberapa komponen tambahan lainnya serta media pendingin, pada sistem pendinginan udara media pendingin yang digunakan disebut Refrigerant
dan refrigerant yang digunakan dalam sistem kompresi uap adalah refrigerant primer. Refrigerant adalah media pemindah panas yaitu senyawa yang bersilkulasi pada sistem pengkondisian udara untuk menghasilkan efek pendingin. Refrigerant adalah senyawa yang sebagian atau seluruhnya terdiri dari hydrogen, seperti ethana atau methana yang dikomposisi ulang dengan halogen yaitu fluor dan choir. Dengan kombinasi ini macam-macam Refrigerant dapat dibuat, dengan istilah internasional sebagai berikut : - CFC (Chioro Fluoro Carbon) Completely Halogenized Chioro Carbon yang mengandung chlor dan sangat merusak ozon dan efek pemanasan global. Contohnya adalah CFC12 yang lebih dikenal dengan nama dagang Freon R-12-. - HCFC (Hydro Fluoro Carbon) Hydro Chloro Fluoro Carbon yang mengandung elemen hydrogen, karena tidak mengandung atom C1, sehingga efek penipisan lapisan ozon dapat diabaikan karena sangat kecil, tetapi masih mempunyai efek pemanasan global, contohnya adalah HFC-R134a yang dikenal dengan nama dagang freon R-134a. - HC (Hydro Carbon) Merupakan zat pengganti untuk CFC-12, HCFC-22 dan HFC-134a yang bersahabat dengan lingkungan karena tidak menyebabkan efek penipisan lapisan ozon dan efek pemanasan global. Contoh : Rossy-12, Rossy-22 dan rosy-34, adapun syarat-syarat Refrigerant yang baik di gunakan harus memenuhi kriteria sebagai berikut : 1. Tidak beracun, tidak berbau, serta ramah terhadap lingkungan.
2. Tidak dapat terbakar atau meledak sendiri, juga bila bercampur dengan udara, minyak dan sebagainya. 3. Tidak mempunyai daya korosi terhadap logam yang dipakai pada sistem pengkondisian udara. 4. Dapat bercampur dengan minyak kompresor, tetapi tidak merusak atau mempengaruhi minyak kompresor. 5. Mempunyai struktur kimia yang stabil, tidak boleh terurai setiap dimampatkan (dikompresi), diembunkan (dikondensasi) dan di uapkan. 6. Mempunyai suhu penguapan atau suhu didih (Boiling Point) yang rendah. Harus rendah dari suhu evaporator yang direncanakan. 7. Mempunyai tekanan pengembunan dan kondensasi yang rendah. Tekanan yang tinggi memerlukan kompresor yang besar dan kuat, juga pipa-pipa harus kuat dari kemungkinan bocor yang besar. 8. Mempunyai panas laten penguapan yang besar, agar panas yang diambil oleh evaporator dari ruangan jadi besar jumlahnya, sebaliknya jumlah bahan pendingin yang dipakai sedikit. 9. Bila terjadi kebocoran mudah diketahui dengan alat-alat yang sederhana. 10. Harganya murah. Refrigerator yang paling banyak digunakan adalah Hydro Carbon Flourine (Fluorinated Hydro Carbon), tetapi jumlah subtansi lain yang dapat berfungsi baik sebagai refrigerant, termasuk di dalamnya ikatan-ikatan organic dan hydrocarbon. Refrigerant yang termasuk dalam kelompok halogen mempunyai satu atau lebih atom dari satu halogen yang tiga (Klorin, Flourin dan
Bromin). Ketentuan bilangan, nama kimia dan rumus kimia dari sejumlah anggota kelompok ini yang ditentukan dalam perdagangan, dimuat dalam tabel 2.1. Tabel 2.1 Refrigerant Halocarbon Ketentuan Penomoran 11 12 13 22 40 113 114 Nama Kimia Trikloromonofluorometana Diklorodifluorometana Monoklorotrifluorometana Monoklorotrifluorometana Metil Klorida Triklorotrifluoroetana Diklorotetrafluoroetana Rumus Kimia CC F CC CC CHC1 C C1 CC FCC1 CC1 CC1 Banyak refrigerant terdahulu merupakan senyawa anorganik dan masih ada yang digunakan sampai saat ini. Senyawa-senyawa ini dibuat dalam tabel 2.2. Tabel 2.2 Beberapa Refrigerant Anorganik Ketentuan Penomoran Nama Kimia Rumus Kimia
717 Amonia N 718 Air O 729 744 764 Udara Karbondioksida Sulfurdioksida - C S Dua angka terakhir menyatakan berat molekul. Banyak senyawa hidrokarbon yang cocok digunakan sebagai refrigerant, khususnya untuk dipakai pada industry perminyakan dan petrokimia. Beberapa refrigerant jenis ini dimuat dalam tabel 2.3. Tabel 2.3 Refrigerant Hidrokarbon Ketentuan Penomoran 170 290 Etana Propana Nama Kimia Rumus Kimia Mengikuti prinsip yang sama dengan skema Halokarbon. Sifat sifat Refrigerant yang telah di bahas adalah karakteristik hubungan suhuentropi cairan dan uap jenuh. Kelangkaan untuk kegiatan refrigerasi diperlukan sifat-sifat termodinamika lainnya. Semua Refrigerant yang biasa digunakan untuk sistem kompresi uap menunjukan sifat yang hampir sama, walau nilai numeric dari masing-masing sifat berbeda dari satu refrigerant ke refrigerant lainnya. Diagram tekanan-entalpi merupakan alat grafis yang biasa digunakan untuk menyatakan sifat refrigerant. Pada kerja termodinamika lain, diagram-diagram
entropi-suhu, tekanan-volume atau entalpi-entropi memang cukup popular. Pada prakteknya, entalpi merupakan salah satu sifat terpenting yang harus diketahui, sehingga tekanan akan lebih mudah ditentukan 2.7. Beban Pendinginan yaitu: Formulasi perhitungan beban kalor dibagi dalam dua cara perhitungan, a. Perhitungan beban kalor puncak, untuk menetapkan besarnya instalasi. b. Perhitungan beban kalor sesaat, untuk mengetahui biaya operasi jangka pendek dan jangka panjang serta untuk mengetahui karakteristik dinamika dan instalasi yang bersangkutan. Dalam perhitungan beban kalor puncak dipakai anggapan bahwa kondisi ekstrim sering terjadi, kalor yang masuk itu disebut Heat Gain. Dalam perhitungan ini menggunakan formulasi perhitungan beban kalor puncak karena tujuannya hanya untuk menganalisa besarnya instalasi dan memperbandingkan dengan desain yang telah ada. Adapun pembagian kalor (heat) menurut bentuknya (Heat gains) adalah sebagai berikut: a. Kalor Sensibel: Kalor yang mengalir keatas dihasilkan pada suatu ruangan yang menyebabkan perubahan temperatur. b. Kalor Laten: Kalor yang merubah kondisi kelembaban di dalam suatu ruangan (humidity). Kalor ini menyebabkan perubahan temperatur, tetapi menghasilkan keadaan udara dengan tingkat kelembaban meningkat.
Pembagian beban pendingin berdasarkan sumber kalorinya: a. Beban eksternal (External Load) 1) Resapan kalor melalui struktur bangunan dengan konduksi, konveksi, dan radiasi. 2) Kalor yang masuk ke ruangan sebagai hasil dari radiaso sinar matahari yang masuk melalui jendela atau benda transparan seperti kaca. 3) Kalor sensibel yang melalui ventilasi dan celah udara luar. b. Beban Internal (Internal Load) 1) Kalor sensibel yang dihasilkan oleh manusia. 2) Kalor sensibel yang dihasilkan di dalam ruangan oleh lampu penerangan, peralatan, dan mesin, forklit, dan sejenisnya. 3) Kalor sensibel yang dikeluarkan dari material atau produk yang di bawa masuk. 4) Kalor laten dari manusia. 5) Kalor laten dari produk atau material. 2.8. Faktor-faktor Dalam Menentukan Beban Pendinginan A. Tipe dari gedung dan kegunaan gedung 1). Material yang digunakan. 2). Ukuran gedung.
B. Kondisi perencanaan luar (outside designe condition) 1) Lokasi gedung yang akan dikondisikan. 2) Temperatur puncak harian. 3) Pengaruh radisai sinar matahari. C. Penghuni Gedung 1) Panjang durasi pekerjaan. 2) Tingkat aktivitas para perkerja/ penghuni. 3) Jumlah dan usia. D. Ventilasi dan infiltrasi E. Peralatan, material, mesin dan perlengkapan lainnya yang ada di dalam ruangan. F. Kondisi perancangan di dalam ruangan (inside design condition). 1) Temperatur yang diharapkan. 2) RH yang diharapkan. 3) Air Flow yang diharapkan.