Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Analisis CFD Penempatan Air Conditioning Unit pada KRD Ekonomi Bandung Raya Wira Nugroho 1, a dan Nathanael P. Tandian 1, b * 1
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung-40132, INDONESIA a
[email protected], b
[email protected] *Penulis kontak penanggung jawab
Abstrak Dalam usaha peningkatan layanannya, PT Kereta Api Indonesia - Daerah Operasi 2 (PT KAI Daop 2) antara lain memasang AC split pada unit kereta ekonomi Kereta Rel Diesel (KRD) Bandung Raya. Jenis AC split yang digunakan adalah AC split statik yang biasa digunakan untuk ruang bangunan. Penempatan unit AC split ini sangat penting karena menentukan kualitas pendinginan. Dalam makalah ini dilakukan analisis CFD yang membandingkan empat opsi penempatan unit AC split di dalam ruang kereta KRD Bandung Raya. Keempat konfigurasi unit AC yang disimulasikan adalah: konfigurasi-1 dengan susunan 3 pasang unit AC bertolak belakang yang dipasang melintang di sepanjang lorong kereta, konfigurasi-2 dengan susunan 3 unit AC berjajar pada masing-masing dinding kiri dan kanan kereta, konfigurasi-3 dengan jajaran 6 unit AC yang dipasang melintang di sepanjang lorong kereta, dan konfigurasi-4 yang mirip dengan konfigurasi-1. Perbedaan antara konfigurasi-1 dan 4 adalah pada jarak antar-pasangan unit AC, yaitu 4,5 m pada konfigurasi-1 dan 5 m pada konfigurasi-4. Dari perhitungan terdahulu, beban pendinginan maksimum tiap unit kereta 17,2 kW sehingga setiap unit kereta dapat dilayani oleh 6 AC split 1 TR (3,52 kW). Hasil simulasi CFD menunjukkan konfigurasi-4 memberikan hasil terbaik dengan temperatur ruang yang merata dan tidak memiliki daerah bertemperatur ekstrim. Kata kunci: Penempatan AC, kereta api, CFD, AC split, refrigerasi Hal ini sejalan dengan penelitian yang menyatakan bahwa faktor kenyamanan lah yang berperan penting dalam menjaga dan menarik konsumen pengguna jasa kereta api.[3] Dari hasil observasi, penempatan unit AC split pada kereta penumpang tidak memiliki standar khusus. Sementara itu hasil studi menyatakan bahwa penempatan posisi unit AC split berpengaruh pada kualitas pendinginan[4]. Oleh karenanya, optimisasi penempatan unit AC split pada kereta penumpang diperlukan supaya dapat diketahui penempatan yang paling optimal. Pada kasus ini bahasan makalah ini, model kereta penumpang yang dipilih adalah kereta komuter Kereta Api Lokal Ekonomi Bandung Raya / KRD Bandung Raya relasi Padalarang – Cicalengka. Dalam makalah ini dibahas empat konfigurasi penempatan AC split yang berbeda dalam kabin KRD Bandung Raya.
Pendahuluan Saat ini, bidang transportasi sudah tidak bisa dilepaskan dari kebutuhan hidup manusia sehari-hari. Pentingnya transportasi secara tidak langsung berpengaruh pada pembangunan nasional karena fungsinya sebagai katalisator pertumbuhan ekonomi, pengembangan wilayah dan pemersatu bangsa.[1] Kereta api merupakan salah satu moda transportasi darat yang penting dalam mendukung aliran perpindahan manusia, barang dan jasa. Selain kapasitas angkut yang besar dalam mengurangi beban pengguna jalan, kereta api juga memiliki tingkat konsumsi bahan bakar paling efisien.[2] Dalam usaha peningkatan layanannya, pada tahun 2012 PT KAI bekerja sama dengan PT INKA memodifikasi ruang kereta penumpang kelas bisnis dan ekonomi dengan menambahkan AC split statik supaya dapat memenuhi kenyamanan termal penumpang. KE-66
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Tujuan penelitian dalam makalah ini adalah menentukan konfigurasi penempatan AC split yang terbaik dengan memanfaatkan metode Computational Fluid Dynamic (CFD). Hasil analisis CFD dapat menunjukkan sebaran temperatur pada ruangan kereta, sehingga dapat digunakan untuk melakukan pemilihan konfigurasi yang paling baik. Metodologi Model geometri. Model dasar geometri kereta penumpang yang digunakan pada simulasi diperlihat pada Gambar 1. Model dasar geometri ini diolah lebih lanjut (dengan proses meshing dan zoning) sebelum digunakan dalam paket CFD.
Gambar 4 Model setelah proses meshing Parameter kenyamanan termal. Dalam makalah ini ada dua parameter kenyaman termal, kecepatan
yaitu
temperatur
udara.
ruangan
Temperatur
dan
ruangan
dirancang dengan mengacu pada panduan dari Lembaga Penyelidikan Masalah Bangunan (LPMB-PU) seperti yang ditunjukkan Tabel 1. Tabel 1 Standar temperatur ruangan[5]
Gambar 3 Model geometri kereta Melalui proses meshing volume goemetri dibagi menjadi banyak elemen-elemen kecil dengan batasan parameter skewness elemen di bawah 0,9. Model geometri yang telah mengalami proses meshing diperlihatkan pada Gambar 2.
Sesuai Tabel 1, rentang temperatur kenyamanan optimal berada pada kisaran 22,80C – 280C. Sementara itu, kecepatan udara dirancang dengan mengacu pada kriteria kecepatan udara terkait kenyamanan manusia yang dianjurkan oleh Lippsmeier, kecepatan udara di bawah 1 m/s.[6] Kondisi operasi. Kondisi operasi yang digunakan dalam simulasi meliputi kondisi lingkungan wilayah di Kota Bandung dengan posisi geografi 100 Lintang Selatan. Kondisi operasi yang disimulasikan adalah kondisi operasi yang terburuk (beban pendingin terberat). Dalam hal ini, temperatur udara luar yang digunakan pada simulasi adalah KE-66
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
temperatur yang maksimal, yaitu di bulan Oktober pukul 15.00. Terkait dengan kondisi eksposur matahari, diasumsikan dinding kanan dan kiri kereta api menghadap ke arah utara dan selatan secara tegak lurus. Di samping itu, kereta diasumsikan dalam keadaan diam (kondisi kecepatan angin dianggap 0 m/s) dan terpapar penuh radiasi matahari. Dari hasil perhitungan, beban pendinginan maksimum tiap unit kereta sebesar 17,2 kW sehingga setiap unit kereta
dapat dilayani oleh 6 unit AC split masingmasing berkapasitas 1 TR (3,52 kW). Kondisi Batas. Kondisi batas simulasi diperoleh dari perhitungan beban pendingin yang telah dilakukan sebelumnya. Kondisi batas yang digunakan terdiri dari dua jenis kondisi batas, yaitu kondisi batas Dinding untuk model perpindahan panas di sekitar dinding kereta dan kondisi batas Heat Flux
Tabel 2 Kondisi Batas pada Dinding Beban Pendinginan Total [W]
Koefisien Konveksi / U [W/oC.m2]
A [m2]
Free Stream Temperature [K]
Atap
1272,47
0.741
53,6
329,04
Dinding Utara
328,77
0.7532
24,31
314,95
Dinding Selatan
295,31
0.7532
24,31
313,13
Kaca Utara
446,42
2.5035
7,37
321,19
Kaca Selatan
460,64
2.5035
7,37
321,97
Lantai
1443,66
2,4446
47,86
309,34
Partisi Pintu
164,21
2.4109
5,59
309,19
Pintu
55,63
2.5457
2,92
304,48
Partisi Toilet
221,57
2,4109
7,62
309,06
Partisi Dinding
139,34
2,4109
4,7
309,29
Elemen
Tabel 3 Kondisi Batas Heat Flux untuk Model Manusia Beban Pendinginan Total [W]
A [m2]
Heat Flux [W/m2]
Kursi Dua
6095,96
54,41
112,04
Kursi Tiga
6330,42
48,15
131,47
Elemen
untuk model perpindahan panas yang dihasilkan manusia di daerah tempat duduk. Nilai yang digunakan sebagai kondisi batas disajikan pada Tabel 2 dan Tabel 3. Sementara itu, kondisi batas pada AC split
meliputi kecepatan udara dingin 2,75 m/s pada temperatur 285K. Rejim dan model aliran udara. Penentuan rejim aliran (apakah laminar, KE-66
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
transisi, atau turbulen) sangat menentukan karena akan menentukan model aliran udara yang harus digunakan. Rejim aliran dapat ditentukan dengan menggunakan kriteria nilai bilangan Reynolds yang didefinisikan pada Pers. 1. . ………………..………..(1) Bilangan Reynolds aliran adalah 20599,92 yang menandakan aliran turbulen. Dalam simulasi ini digunakan model aliran udara kEpsilon untuk perhitungan viskositas dan beberapa parameter aliran lainnya. Konfigurasi Pemasangan AC Split. Pada makalah ini ada 4 konfigurasi pemasangan AC split yang disimulasikan dan diperbandingkan, yang disebut sebagai Konfigurasi-1 sampai dengan Konfigurasi-4. Pada Konfigurasi-1, unit AC dipasang dengan susunan 3 pasang unit yang saling bertolak belakang dan dipasang melintang di sepanjang lorong kereta seperti diperlihatkan pada Gambar 3. Pada Konfigurasi-2, tiga unit AC dipasang secara berjajar pada masingmasing dinding kiri dan kanan kereta. Pada Konfigurasi-3: enam unit AC dipasang secara melintang menghadap arah yang sama dan berjajar di sepanjang lorong kereta seperti diperlihatkan pada Gambar 4. Pemasangan unit AC pada Konfigurasi-4 mirip dengan yang ada pada Konfigurasi-1. Mereka hanya berbeda dalam jarak antar pasangan unit AC, yaitu jarak antar pasangan unit AC pada Konfigurasi-1 adalah 4,5 m sedangkan pada Konfigurasi-4 adalah 5 m.
Gambar 5 Model Konfigurasi-1 memenuhi batas kenyamanan kecepatan udara seperti terlihat pada Gambar 5. Namun demikian, pada Gambar 5 tampak bahwa distribusi kecepatan udara pada Konfigurasi-1 tidak semerata yang ada pada konfigurasi lainnya. Hal ini terjadi karena penempatan unit AC pada Konfigurasi-1 relatif lebih terkumpul di bagian tengah kabin kereta (jarak unit AC ke dinding ujung depan dan belakang kabin kereta lebih jauh dibanding dengan yang ada pada konfigurasi lainnya). Kehadiran dinding yang relatif lebih banyak di daerah ujung kabin kereta berdampak terhadap hambatan alir udara yang relatif lebih besar dibandingkan dengan yang terjadi di daerah tengah kabin. Pada Konfigurasi-1 hambatan alir udara yang relatif besar di ujung kabin kereta tidak dikompensasi dengan penempatan unit AC yang lebih dekat ke daerah ujung kabin. Sementara itu, bila ditinjau dari aspek distribusi temperatur yang diperoleh dari hasil simulasi, terlihat bahwa pola distribusi temperatur dalam kabin sangat tidak seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Pada gambar tersebut juga terlihat bahwa Konfigurasi-3 dan Konfigurasi-4 memberikan hasil yang cukup baik (temperatur ruang kereta yang merata dan tidak memiliki daerah bertemperatur ekstrim) bila dibandingkan dengan distribusi temperatur pada kedua konfigurasi lainnya. Di samping itu, pada
Hasil Penelitian dan Pembahasan. Keempat model kabin kereta dengan konfigurasi pemasangan unit AC split yang berbeda telah dibuat dan digunakan untuk perhitungan simulasi CFD. Dari hasil simulasi yang diperoleh diketahui bahwa kecepatan udara pada semua model kabin kereta menunjukkan sebaran kecepatan udara yang
KE-66
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Gambar 6 juga tampak bahwa distribusi temperatur udara pada Konfigurasi-1 tidak semerata distribusi temperatur udara pada konfigurasi AC lainnya. Hal ini terkait dengan pemasangan unit AC Konfigurasi-1 yang relatif terkumpul di daerah tengah kabin kereta seperti telah dibahas terkait distribusi kecepatan udara pada Konfigurasi-1.
udara yang serupa, namun Konfigurasi-3 dengan penempatan susunan 6 unit AC melintang secara berjajar kurang disukai karena pertimbangan teknik pemasangan yang lebih sulit dan kurang ekonomik. Konfigurasi3 membutuhkan 6 buah penahan (mounting) pada setiap unit AC, sedangkan Konfigurasi-4 hanya membutuhkan 3 buah penahan untuk setiap pasangan (2 unit) AC. Jadi Konfigurasi-4 dipandang sebagai susunan pemasangan AC split yang terbaik dan disarankan untuk diterapkan.
Gambar 4 Model Konfigurasi-3 Walau Konfigurasi-3 dan Konfigurasi-4 menunjukkan kualitas distribusi temperature
KE-66
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Rentang Kenayamanan
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Rentang Kenayamanan
Gambar 6 Perbandingan distribusi kecepatan udara (m/s), konfigurasi 1-4 dari kiri ke kanan
Gambar 7 Perbandingan distribusi temperatur kabin (K), konfigurasi 1-4 dari kiri ke kanan
antara keempat konfigurasi pemasangan AC split, Konfigurasi-1 merupakan konfigurasi terburuk akibat penempatan unit AC yang relatif terkumpul di bagian tengah kabin kereta.
Kesimpulan Dari hasil simulasi CFD dan analisis yang dilakukan dapat disimpulkan hal penting berikut: (a) Konfigurasi-4 merupakan konfigurasi yang terbaik untuk diaplikasikan pada tiap-tiap kereta penumpang kelas ekonomi dengan konfigurasi interior seperti KRL Ekonomi Bandung Raya, dan (b) di KE-66
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Ucapan Terima Kasih Penulis menyampaikan terima kasih kepada Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara atas dukungan pendanaan untuk mempublikasikan dan mempresentasikan makalah ini. Referensi [1] Kementerian Negara Riset dan Teknologi Republik Indonesia, Buku Putih Penelitian, Pengembangan, dan Penerapan Iptek dan Manajemen Transportasi, Kementerian Negara Riset dan Teknologi, Jakarta, 2006. [2] Direktorat Jenderal Perkeretaapian, Rencana Induk Perkeretaapian Nasional, Ditjen Perkeretaapian Kementrian Perhubungan, Jakarta, 2011. [3] Ambar Isti Fatma, dan Saino, Analisis Faktor yang Mempengaruhi Keputusan Konsumen untuk Menggunakan Jasa Kereta Api Komuter Tujuan Lamongan-Surabaya, Jurnal Online Universitas Negeri Surabaya. (http://ejournal.unesa.ac.id/article/9621/54/art icle.pdf, diakses 22 Januari 2015). [4] Ardian Yudo Dewanto, The Selecting and Placement of an Air Conditioning Unit for a Specified Room by Considering its Furniture Arragement, Tugas Sarjana, Teknik Mesin FTMD ITB, Bandung, 2012. [5] Basalaria Talarosha, Menciptakan Kenyamanan Termal dalam Bangunan, J. Sist. Tek. Industri, 3 (2005) 148-158. [6] Tyas Fee Nabil, Catatan kuliah kenyamanan termal, (http://tyasfeenabil. blogspot.com/2012/02/kenyamanan-thermal. html, diakses pada 28 Januari 2015).
KE-66
