ANALISA PERHITUNGAN DEBIT DAN KEHILANGAN TINGGI TEKANAN (HEAD LOSS) PADA SISTEM JARINGAN PIPA DAERAH LAYANAN PDAM TIRTANADI CABANG SUNGGAL Aida Nurfadilah1 dan Terunajaya2 Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus Usu Medan Email:
[email protected] 2 Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No. 1 Kampus Usu Medan Email:
[email protected] 1
ABSTRAK Pemakaian jaringan pipa dalam bidang teknik sipil salah satunya terdapat pada sistem jaringan distribusi air minum. Distribusi kebutuhan air minum untuk kebutuhan hidup sehari-hari sangat penting. Begitu juga analisis jaringan pipa cukup komplek dan memerlukan perhitungan yang besar. Dalam sistem jaringan distribusi air minum menggunakan pipa, faktor kehilangan tinggi tekanan perlu diperhatikan. Apabila debit dan kehilangan tinggi tekanan cukup besar dapat mengakibatkan tidak terdistribusinya air dengan baik. Tahapan-tahapan dalam penyelesain tugas akhir ini yaitu terlebih dahulu mengumpulkan data yang dibutuhkan baik data primer maupun sekunder dari PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal. Tahapan berikutnya adalah menghitung debit dan kehilangan tinggi tekanan yang dilakukan dengan menggunakan Hardy-Cross dengan menggunakan persamaan Darcy Weisbach. Hasil perhitungan dan analisa kebutuhan air minum untuk salah satu PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal yaitu Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II, diperoleh total kebutuhan air 822,060 m3 per hari dengan jumlah pelanggan sebanyak 693 NPA. Adapun besarnya kapasitas beban puncak (kebutuhan airpada jam maksimum) sebesar 0,045545m3/det. Kehilangan tinggi tekanan karena adanya gesekan antara pipa (nilai hf ) sebesar 0,73097 m pada pipa 63-61. Selain itu, kehilangan tinggi tekanan yang terjadi di Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II berdasarkan analisa debit sebesar 4,67%. Dari hasil perhitungan disimpulkan bahwa kebutuhan air dalam sehari di Komplek Taman Setia Budi Indah II masih terpenuhi oleh PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal. Pengaliran air yang terjadi di daerah Komplek Perumahan Taman Setia Budi II tergolong cukup baik lebih kecil dari 20%. Kehilangan tinggi tekanan ini disebabkan oleh faktor teknis, non teknis, dan penggunaan pompa ilegal oleh pelanggan. Kata Kunci: debit, kehilangan tinggi tekanan, metode Hardy-Cross
ABSTRACT Pipe distribusion in civil engineering usually use in drinking water distribution. Distribution of drinking water is very important for daily life. The complicated distribution analysis needs a complex calculation. in the pipe dristribution drinking water use pipes, head loss factor require to attention. If the quantity flow and head loss is very large, it can distribution of drinking water is not well. The method in research is collected data from PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal as like primary and sekunder data. Next method, the conclusion quantity flow and head loss is by using Hardy-Cross method with formula Darcy-Weisbach. The results of conclusion and analysis drinking of water one PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal , that is Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II, requirement total with value 822,600 m3 everyday and client 693 NPA. The capacity of peak hour with value 0,045545 m3/s. Head loss can be happened if friction of pipe (hf) with value 0,73097 m in pipe 63-61. Besides, head loss caused in Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II with value 4,67%, it according quantity flow analysis. The conclusion result that requirement water for a day Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II can fufilled by PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal. Water flow in Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II is well because less from 20%. Head loss caused technical factor, non-tecnical and used ilegal pump by client. Keywords: quantity flow, head loss, and Hardy-Cross Method.
1. Pendahuluan Air menjadi kebutuhan manusia yang sangat penting, begitu juga dengan seluruh mahluk hidup yang ada di bumi ini. Dalam pemenuhan air tersebut manusia melakukan berbagai upaya untuk mendapatkannya. Dalam hal ini pemenuhan air bersih untuk dikonsumsi, baik untuk air minum, maupun untuk kebutuhan rumah tangga lainnya. Penanganan akan pemenuhan kebutuhan air bersih dapat dilakukan dengan berbagai cara, disesuaikan dengan sarana dan prasarana yang ada. Sistem penyediaan air bersih dilakukan dengan sistem perpipaan dan non perpipaan. Sistem perpipaan dikelola oleh Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) dan sistem non perpipaan dikelola oleh masyarakat baik secara individu maupun kelompok. Sistem perpipaan berfungsi untuk mengalirkan zat cair dari satu tempat ke tempat yang lain. Aliran terjadi karena adanya perbedaan tinggi tekanan di kedua tempat, yang bisa terjadi karena adanya perbedaan elevasi muka air atau karena adanya pompa. Pemakaian jaringan pipa dalam bidang teknik sipil terdapat pada sistem jaringan distribusi air minum. Debit air yang disediakan tergantung pada jumlah penduduk dan sistem jaringan distribusi yang dilayani.Saat ini kualitas dan daya dukung lingkungan semakin menurun, ketersediaan air yang dapat langsung dikonsumsi dari alam juga semakin berkurang. Keadaan ini juga diikuti oleh menurunnya tekanan-tekanan air ke seluruh daerah pelayanan, sehingga konsumen mempergunakan berbagai cara untuk memperoleh air sesuai dengan keinginannya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya debit dan kehilangan tinggi tekanan (headloss) dengan menggunakan metode Hardy-Cross dengan persamaan Darcy-Weisbach pada sistem jaringan pipa daerah layanan PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal di Perumahan Taman Budi Setia Indah II. Dalam hal ini pembahasan lebih dipusatkan pada hal sistem distribusi jaringan pipa air bersih. Sistem distribusi yang ekstensif diperlukan untuk menyalurkan air ke masing-masing langganan dalam jumlah yang dibutuhkan dengan tekanan yang diharapkan. Adapun rumus yang dipakai dalam analisis ini adalah: Q = V x A .................................................................................................................................................... (1) Dimana : Q = Debit aliran (m3/det) V = Kecepatan aliran (m/det) A = luas penampang aliran (m2) Angka Reynolds mempunyai bentuk berikut: Re =
=
atau Re =
.................................................................................................................... (2)
Dimana : Re = Reynolds number µ = viskositas dinamik (Pa.det) = rapat massa zat cair (kg/m3) D = diameter dalam pipa (m) v = kecepatan aliran dalam fluida (m/det) Rumus Darcy-Weisbach merupakan dasar menghitung head turun untuk aliran fluida dalam pipa-pipa dan saluran (Herman, 1984). Persamaannya adalah: hf = f
....................................................................................................................................................... (3)
Dimana: hf= kerugian head karena gesekan (m) f= faktor gesekan (diperoleh dari diagram Moody) D = diameter pipa (m) L = panjang pipa (m) V = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/det) g = percepatan gravitasi = 9,81 m/det2
Besaran aliran pada pipa sesuai dengan metode Hardy-Cross didapat dengan iterasi aliran pada masing-masing jaringan tertutup. Prosedur perhitungan dengan metode Hardy-Cross adalah sebagai berikut (Bambang, 1993): 1. Pilih pembagian debit melalui tiap-tiap pipa Qo hingga terpenuhi kontinuitas; 2. Hitung hf pada tiap pipa, hf = k.Q2 3. Jaringan pipa dibagi menjadi sejumlah jaringan tertutup (tiap pipa minimal masuk dalam satu jaringan); 4. Hitung ∑hf tiap jaringan, jika pengaliran seimbang, ∑hf = 0 5. Hitung nilai ∑ |2kQ| untuk tiap jaringan 6. Hitung koreksi debit ∆
∑ ∑|
Q|
........................................................................................................................................................... (4)
Dimana : Qo = debit permisalan ∆ 7. Koreksi debit, Q = Qo + ∆Q, prosedur 1–6 diulangi hingga diperoleh ≈0 Pada suatu jaringan perpipaan harus dipenuhi ketentuan berikut: Perjumlahan tekanan disetiap circuit = 0 (nol) Aliran yang masuk pada setiap titik simpul = aliran keluar Persamaan Darcy–Weisbach atau rumus eksponensial berlaku untuk masing-masing pipa. Analisis jaringan pipa ini cukup rumit dan memerlukan perhitungan yang besar, oleh karena itu pemakaian komputer untuk analisis ini akan mengurangi kesulitan. Untuk jaringan kecil, pemakaian kalkulator untuk hitungan masih bisa dilakukan. Perhitungan analisa ini menggunakan program Microsoft Office Excel 2007.
2. Metodologi Penelitian Penelitian ini dilakukan bulan Januari2013 di kawasan sistem jaringan pipa daerah layanan PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal yaitu Perumahan Taman Setia Budi Indah II Medan. Rancangan penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah berupa studi literatur yaitu mencari dan mempelajari pustaka yang berhubungan dengan Analisa perhitungan debit dan kehilangan tinggi tekanan pada Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II menggunakan metode Hardy-Cross dengan persamaan DarcyWeisbachdan menggunakan Program Microsoft Excel 2007 berupa buku, jurnal, artikel, maupun internet. Tahap pengumpulan data adalah sebagai berikut: a. Data Primer Data primer merupakan data yang diperoleh dengan mengadakan kunjungan langsung di daerah studi sehingga diperoleh kondisi eksisting penyaluran dan pendistribusian air bersih. Daerah yang ditinjau yaitu Taman Setia Budi Indah II. b. Data Sekunder Data tersebut yaitu: Peta jaringan pipa distribusi; Jumlah pelanggan; Jumlah pemakaian air; Produksi air baku yang diolah oleh Clearator yang akan disuplai oleh IPA Sunggal; Spesifikasi pipa yang digunakan pada lokasi survei yang ditinjau; Spesifikasi pompa distribusi yang digunakan;
Berdasarkan alir penelitian dari penyusunan laporan tugas akhir ini dapat dijelaskan seperti gambar di bawah ini:
Gambar 1. Diagram Alir Metodologi Penelitian
3. Hasil Dan Pembahasan Dalam melakukan penggolongan pelanggan dan penentuan tarif PDAM Tirtanadi mempunyai penggolongan sebagai berikut: Tabel 1. Penggolongan Pelanggan PDAM Tirtanadi dan Blok Harga
Dalam merencanakan suatu sistem jaringan pipa yang digunakan untuk mendistribusikan air bersih pada perumahan, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu kebutuhan air secara keseluruhan yang meliputi kebutuhan perumahan itu sendiri dan fasilitas lainnya. Dalam hal ini di Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II terdiri dari 693 pelanggan yang terdiri dari beberapa golongan pelanggan. Berdasarkan data yang diperoleh dari PDAM Tirtanadi Cabang Sunggal, jumlah pelanggan di Taman Setia Budi Indah II menurut golongannya menjadi: Tabel 2. Jumlah Pelanggan Air Minum KomplekPerumahan Taman SetiaBudi Indah IIPDAMTirtanadi Cabang Sunggal(PDAMTirtanadiCabang Sunggal) Jumlah anggota keluarga setiap pelanggan untuk golongan non niaga berkisar antara 4 – 6 orang. Dalam hal ini diambil rata-rata setiap rumah berjumlah 5 orang yang terdiri dari 1 ayah, 1 ibu dan 3 anak. Pemakaian air rata-rata per orang dalam sehari (tabel 2.2) untuk keperluan rumah tangga sebesar 250 liter/hari/orang. Jadi jumlah penduduk non niaga diperkirakan = 5 x 650 = 3250 orang. Sehingga total kebutuhan air golongan non niaga pada perumahan Taman Setia Budi Indah II dalam sehari adalah: Kebutuhan Air Penduduk = jumlah penduduk x kebutuhan air rata-rata perhari = 3250 x 250 liter = 812.500 liter/hari = 0,009404 m3/det Untuk golongan niaga jumlah pelanggan air sebanyak 41 pelanggan dan pemakaian air rata-rata dalam sehari sebesar 160 liter (tabel 2.2). Jadi jumlah kebutuhan air menjadi: Kebutuhan Air Bersih = jumlah pelanggan x kebutuhan air rata-rata perhari = 41 x 160 liter = 6.560 liter/hari = 0,000076 m3/det Qtotal
Total Kebutuhan air bersih golongan non niaga dan niaga di Perumahan Taman Setia Budi Indah II adalah: = 812.500 liter/hari + 6560 liter/hari = 819.060 liter/hari = 0,009479 m3/det
Golongan sosial terdiri dari sosial umum dan sosial khusus. Di Perumahan Taman Setia Budi Indah II terdapat golongan sosial khusus yaitu hydran umum, WC umum, dan rumah ibadah . Jumlah pelanggan yaitu 2 NPA, dengan jumlah pemakaian rata-rata per hari adalah 10 liter (table 3). Jumlah rata-rata jemaah tiap hari berkisar 30 orang. Maka kebutuhan air adalah:
Kebutuhaan Air Bersih = jumlah pelanggan x kebutuhan k airr rata-rata perhhari = 2 x 30 x 5 x10 liter = 3.000 liter/hari l = 0,0000035 m3/det Jadi total kebutuhan air bersih dalam m 24 jam adalaah: = 812.5000 liter + 6.5600 liter + 3.000 liter = 822.0600 liter = 822,0600 m3 per hari Tabel 3. Tootal pemakaian n selama 24 jaam
ur sebesar 0,000758 m3/deet yaitu pada periode VIIII Pada Tabel di attas, didapatkaan nilai debit pada low hou s 0,0303 363 m3/det pada periode I (05.00-08.00 0 WIB) dann (02.00-055.00 WIB) daan nilai debit peak hour sebesar periode V (17.00-20.000 WIB). Besarnya kapasitaas beban punccak (kebutuhaan air pada jam m maksimum) dapat dihitunng dengan rum mus: Qpeaak = fpeak x Qmaks fpeakk = Fakktor fluktuasi jam maksimuum ( 1 ,5 - 2,5 5) Maka Qpeeak
= 1,55 x 0,030363 m3/ det = 0,0045545 m3/ deet
JJadi kebutuhaan beban punccak adalah sebbesar 0,045545 5 m3/ det. Darri kebutuhan bbeban puncak dapat ditaksirr kapasitas air yang menngalir tiap-tiapp pipa.
Gam mbar 2. Pemak kaian air per jam j
Untuk dapat mengetahui kebutuhan air di Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II ini beberapa tahun ke depan dapat dihitung dengan menggunakan metode geometris. Kebutuhan air pada tahun 2020 dapat dihitung yaitu menggunakan rumus: Pn = Po (1+r)n Pn = 693 (1+ 0,01)7 Pn = 697, 86 pelanggan Pn = 698 pelanggan Kebutuhan Air bersih = jumlah penduduk x kebutuhan air rata-rata = 698 x 1,19 m3/pelanggan/hari = 830,62 m3/pelanggan/hari Jadi kebutuhan air bersih untuk satu bulan pada tahun 2020 menjadi = 830,62 x 30 = 24.918,6 m3/bulan Menurut penelitian yang dilakukan kehilangan tinggi tekanan air pada sistem jaringan pipa dapat disebabkan oleh beberapa faktor yaitu: a. Faktor teknis Faktor teknis yang dapat menyebabkan kehilangan tinggi tekanan air adalah adanya lubang atau celah pada pipa sambungan, pipa pada jaringan distribusi pecah, meter air yang dipasang pada pipa konsumen kurang baik, pemasangan perpipaan di rumah kurang baik. b. Faktor non teknis Faktor non teknis yang dapat menyebabkan kehilangan tinggi tekanan air adalah kesalahan membaca meteran air dan pencatatan hasil pembacaan meter air, kesalahan/pembuatan rekening air, angkayang ditunjukkan oleh meter air berkurang akibat adanya aliran udara dari rumah konsumen ke pipa distribusi meter air tersebut. Dalam hal ini Perumahan Taman Setia Budi Indah II berdasarkan penelitian yang dilakukan kehilangan tinggi tekanan air yang diperoleh berkisar 4,67 %. Selain kehilangan tinggi tekanan air disebabkan oleh faktor teknis dan non teknis, kehilangan tinggi tekanan air dapat juga disebabkan karena adanya gesekan air tehadap pipa. Untuk mengetahui besarnya kehilangan tinggi tekanan ini dilakukan dengan metode Hardy-Cross dengan menggunakan persamaan Darcy Weisbach. Untuk melakukan perhitungan dengan metode Hardy-Cross pertama kali dilakukan pembagian loop menjadi 4 loop. Cara menghitung kehilangan tinggi tekanan dan koreksi debit pada sistem jaringan pipa untuk Loop 1 pada iterasi 1 pada pipa 1-2. Diketahui : ε = 0,0000015 m γ = 0,0000151 m2/det Pipa 1-2 (D= 0,16 m, L= 78,5 m, f= 0,0328 ) Ditanya : Hitung kehilangan tinggi tekanan (hf)? Hitung Koreksi Debit (∆Q)? Penyelesaian : -Asumsikan debit awal (Qo),pemisalan diperoleh nilaii 0,01488 m3/det - Rumus : Hf = K . Q2 . K = .
.
/4
V
= Q/A = Q/
A
= . /4 =3,14 . 0,162 . 0,25 = 0,020096 m2 = Q/A
V
K
= 0,01488/ 0,020096 = 0,7404459 m/s . = =
hf 2. K.Q ∆Q
.
.
,
, . ,
.
,
. ,
= 2030,98 = K . Q2 = 2030,98 . 0,014882 = 0,4496 m = 2 . 2030,98 . 0,01488 = 60,4419 = hf- 2KQ = 0,4496 – 60,4419 = 59,9923
ITERASI 1 Gambar 3. Loop 1 pada iterasi 1 Tabel 4. Loop 1 pada iterasi 1
Dari perhitungan iterasi di atas, diperoleh koreksi kapasitas untuk tiap loop/jaringan dengan memakai rumus: ∑ ∆ ∑ |2kQ|
LOOP 1 2 3 4
Tabel 5. Faktor Koreksi Iterasi 1 ∑ |2kQ| ∑hf -0,40980 3653,04833 0,436731 2475,48629 0,61718 2769,053 0,95706 3079,144
∆Q 0,00011 -0,00018 -0,00022 -0,00031
Karena ∆Q belum mendekati 0 maka perhitungan Hardy-Cross diteruskan pada iterasi berikutnya. Untuk lebih lanjut perhitungan iterasi 2 dapat dilihat di lampiran 3. Setelah iterasi kedua, nilai ∆Q mendekati nol (Tabel 6) dimana arah dan kapasitas aliran sudah konstan sehingga perhitungan dihentikan.
LOOP 1 2 3 4
Tabel 6. Faktor Koreksi Iterasi 2 ∑ |2kQ| ∑hf 0,00993 3653,04833 0,010587 2475,486 0,39684 2769,053 -0,01553 3079,144
∆Q 0,00000 0,00000 -0,00014 0,00001
4. Kesimpulan
1. Total kebutuhan air bersih di Perumahan Taman Setia Budi Indah II dalam sehari adalah 822,060 m3 per hari.Dengankebutuhan air pada jam puncak maksimum (peak hour) adalah 0,045545 m3/ det. 2. Kehilangan tinggi tekanan yang terjadi di Komplek Perumahan Taman Setia Budi Indah II berdasarkan analisa debit sebesar 4,67%, kehilangan tinggi tekanan ini tergolong baik karena kehilangan tinggi tekanan air kecil menurut tabel 2.1 yaitu lebih kecil dari 20%. 3. Kehilangan tinggi tekanan ini disebabkan oleh faktor teknis, non teknis, dan penggunaan pompa ilegal oleh pelanggan. 4. Berdasarkan hitungan dengan metode Hardy-Cross kehilangan tinggi tekanan terbesar karena adanya gesekan antara air dengan pipa terdapat pada pipa 63-61 pada loop iterasi 2 dengan nilai hf sebesar 0,73097 m.
5. Saran 1. Untuk hitungan jaringan yang lebih besar sebaiknya menggunakan software pendukung seperti Epanet, agar hitungan yang diperoleh lebih akurat dan untuk jaringan sederhana dapat menggunakan metode Hardy-Cross. 2. Pihak PDAM perlu melakukan survei terhadap pelanggan yang menggunakan pompa sehingga dengan demikian ditribusi air dapat terlayani secara merata. 3. Perlu dilakukan pengkajian kembali sistem jaringan distribusi oleh PDAM seperti survei untuk mengetahui penyebab kehilangan tinggi tekanan air terhadap pelanggan seperti survei kebocoran air pada pipa distribusi, penggantian pipa-pipa yang sudah pecah.
Daftar Pustaka Aqfa, Ikhwanul, 2011, Analisa Sistem Jaringan Pendistribusian Pipa Air Bersih Di PDAM Tirta Bulian Tebing Tinggi, Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara. Dake, J.M.K., Endang P.Tachyan dan Y.P. Pangaribuan, 1985, Hidrolika Teknik Edisi II, Penerbit Erlangga, Jakarta. Djunaedi, 2008, Penentuan Kehilangan Energi Pada Jaringan Distribusi Air Bersih Nun Baun Sabu Kupang, Jurnal Studia Tenologia, No. 2, 167-169.
Fatmawati, Lelly, 2008, Analisis Jaringan Pipa, Jurnal Wahana Teknik Sipil Vol.13, No.1, 31-44. Keputusan Menteri Kesehatan Republik Indonesia Nomor 416/Menkes/PER/IX/1990 Syara–Syarat dan Pengawasan Kualitas Air Bersih. Kodoatie, Robert J., 2002, Hidrolika Terapan Aliran Pada Saluran Terbuka dan Pipa, Penerbit Andi, Yogyakarta. Sangsoko, Djoko, 1986, Teknik Sumber Daya Air, Erlangga, Jakarta. Soemitro, Herman Widodo, 1986, Mekanika Fluida dan Hidrolika Edisi Kedua, Erlangga, Jakarta. Triatmodjo, Bambang, 1996, Hidraulika I, Beta Offset, Yogyakarta. Triatmodjo, Bambang, 1993, Hidraulika II, Beta Offset, Yogyakarta. White, Frank M., 1986, Mekanika Fluida Edisi Kedua Jilid 1, Erlangga, Jakarta.
