JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
1
ANALISIS TEMPERATUR DAN ALIRAN UDARA PADA SISTEM TATA UDARA DI GERBONG KERETA API PENUMPANG KELAS EKONOMI DENGAN VARIASI BUKAAN JENDELA Lustyyah Ulfa, Ridho Hantoro, dan Gunawan Nugroho Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak— Pelayanan dan kenyamanan yang diberikan PT. KAI kepada penumpang kereta api kelas ekonomi berupa fasilitas sistem tata udara dengan menggunakan ventilasi yang berupa exhaust fan dan jendela. Keefektifan ventilasi berupa jendela dipengaruhi oleh faktor temperatur dan kecepatan udara. Oleh sebab itu faktor tersebut perlu diteliti dengan memberikan variasi bukaan jendela. Metodologi yang digunakan adalah menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Penelitian ini diverifikasi dengan pengukuran fisis berupa temperatur secara langsung pada gerbong kereta api penumpang kelas ekonomi di tiga kondisi pagi, siang dan sore hari. Setelah diverifikasi, ditampilkan hasil simulasi yang berupa distribusi temperatur dan aliran udara. Sehingga pada akhir penelitian ini diperoleh beberapa informasi sebagai berikut variasi penambahan luas bukaan jendela (V2) sesuai diterapkan di kondisi pagi dan sore, yang mampu menurunkan temperatur rata-rata dalam gerbong sebesar 0,030C untuk kondisi pagi dan 0,110C untuk kondisi sore hari. Sedangkan distribusi udara terlihat lebih merata ke seluruh bagian gerbong dengan luasan bukaan pada kondisi sebenarnya (variasi 1, V1) dan nilai RH berbanding terbalik dengan temperatur. Kata Kunci — CFD, kereta api penumpang kelas ekonomi, variasi bukaan jendela.
I. PENDAHULUAN
P
T. KERETA API INDONESIA (KAI) Persero sebagai penyedia jasa transportasi darat yang memiliki tingkat kepadatan tinggi di Pulau Jawa, selalu berusaha memberikan keselamatan, ketepatan waktu, pelayanan dan kenyamanan yang terbaik untuk penumpang. Pelayanan minimum untuk sistem tata udara pada kereta api penumpang kelas ekonomi berupa kipas angin atau exhaust fan dan kapasitas penumpang maksimal sebesar 106 penumpang atau 42 penumpang lebih banyak dari kereta api kelas bisnis[1]. Besarnya kapasitas penumpang pada kereta penumpang kelas ekonomi mempengaruhi salah satu faktor kenyamanan termal pada vehicle atau kereta api yaitu pada sistem tata udara (ventilation factor) [2] Keefektifan ventilasi dalam mengkondisikan udara dipengaruhi oleh variabel fisis seperti temperatur udara, meant radiant temperature atau temperatur dalam gerbong, kecepatan udara dan kelembaban [3]. Oleh karena itu pengusul Tugas Akhir tertarik untuk melakukan analisis temperatur dan aliran udara di sistem tata udara pada gerbong kereta api penumpang kelas ekonomi dengan variasi bukaan jendela bukaan penuh dan lebih dengan menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) agar didapatkan
rekomendasi bagi PT. KAI (Persero) untuk meningkatkan mutu pelayanan penumpang kereta kelas ekonomi yang berupa referensi geometri luas bukaan jendela yang optimal. II. METODE PENELITIAN Alur penelitian ini dimulai dari pemodelan gerbong kereta api kelas penumpang ekonomi dengan bentuk tiga dimensi (3D) sesuai dengan spesifikasi gerbong dari PT.KAI (Persero) yang telah disederhanakan. Pemodelan gerbong disesuaikan dengan dua variasi luas bukaan jendela yaitu luas bukaan pada kondisi sebenarnya (variasi 1, V1) dan penambahan luas bukaan jendela (variasi 2, V2). Langkah selanjutnya yaitu pengukuran temperatur dan kecepatan aliran udara di dalam gerbong kereta pada tiga kondisi waktu yang berbeda dalam satu hari, yaitu pagi, siang dan sore hari. Hasil pengukuran digunakan sebagai variabel fisis pada simulasi Computational Flyuid Dynamics (CFD) dengan tipe mesh Tetrahedral/hybrid-Tgrid, model persamaan turbulensi kepsilon standard dengan standard wall functions dan residual monitor sebesar 10-3 dan digunakan untuk verifikasi hasil simulasi dengan nilai kesalahan (error) sebesar 10%. Kemudian hasil simulasi yang berupa grafik, kontur temperatur dan pathline dianalisa mengenai hubungan variasi bukaan jendela dengan distribusi temperatur dan aliran udara di dalam gerbong. III. HASIL DAN DISKUSI Setelah dilakukan pengukuran terhadap temperatur dan kecepatan aliran udara didapatkan hasil pengukuran di tiga waktu pengukuran sebagai berikut: A. Hasil Pengukuran Temperatur dan Aliran Udara Pengukuran temperatur dilakukan di empat titik pengukuran dengan tujuan untuk mewakili distribusi temperatur di dalam gerbong yang dimulai dari depan hingga ke belakang. Hasil pengukuran temperatur, menunjukkan bahwa temperatur semakin meningkat seiring dengan posisi titik pengukuran yang semakin ke belakang. Nilai temperatur tertinggi terletak pada kondisi pengukuran di siang hari, karena cuaca pada siang hari sangat terik yang ditandakan dengan temperatur udara lingkungan sebesar 31,670C (304,67 K). Sedangkan pada pagi hari cuaca cerah dengan temperatur lingkungan sebesar 27,880C (300,88 K) dan kondisi cuaca saat sore hari adalah berawan dengan temperatur 28,710C (301,71 K). Aliran
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
2
udara yang melewati bukaan jendela pada kedua sisi dinding gerbong diukur dengan anemometer. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada pagi hari angin mulai bertiup dan kecepatan angin mencapai maksimal pada siang hari. Sedangkan pada sore hari, kecepatan aliran udara mulai menurun. B. Verifikasi Hasil Simulasi CFD Verifikasi hasil simulasi CFD diperlukan untuk membandingkan hasil simulasi dengan kondisi fisis sebenarnya pada variasi 1 (V1). Verifikasi dilakukan pada 4 titik pengukuran yang telah ditentukan di bidang –bidang yang membagi gerbong (T1,2,3 dan 4). Nilai kesalahan terkecil pada temperatur pengukuran dan simulasi sebesar 0,3 % di T 4 pada pagi hari. Sedangkan hasil nilai kesalahan terbesar di T 4 pada sore hari yaitu 5,9 %. Karena batas kesalahan pengukuran ini ditetapkan sebesar 10%, dikatakan bahwa hasil simulasi telah terverifikasi dengan baik.
Arah kereta
Gambar 2. Kontur distribusi temperatur kondisi siang hari (11.00-13.00).
C. Hasil Simulasi CFD untuk Distribusi Temperatur Distribusi temperatur ditampilkan dalam kontur temperatur yang terbagi menjadi 12 bidang pada sumbu XZ dan 1 bidang yang membelah gerbong menjadi dua sisi yang sama besar pada sumbu YZ. Jarak antar bidang pada sumbu XZ adalah 1 meter dan setiap bidang mewakili daerah yang berdekatan dengan tempat duduk penumpang. Hasil distribusi temperatur untuk kedua variasi pada kondisi pagi, siang dan sore sebagai berikut: Arah kereta
Variasi 1(V1)
Gambar 3. Kontur distribusi temperatur kondisi sore hari (15.00-17.00)
Temperatur rata-rata untuk bukaan jendela bukaan penuh pada sore hari sebesar 303,109 K (30,1090C). Temperatur ratarata dalam gerbong ini bernilai lebih besar 1,390C daripada temperatur lingkungan. Variasi 2 (V2)
Arah kereta
Gambar 1. Kontur distribusi temperatur kondisi pagi (07.00-09.00)
Berdasarkan gambar 1, temperatur rata-rata untuk bukaan jendela di kondisi sebenarnya (V1) pada siang hari sebesar 304,902 K (31,9020C). Adanya V1 pada gerbong dapat menurunkan temperatur lingkungan yang mengalir secara konveksi ke dalam gerbong sebesar 1,760C. Berdasarkan Gambar 4, Kenaikan nilai temperatur dari bidang 1 hingga bidang 12 berkisar di temperatur 304-305 K dengan kenaikan yang relatif konstan.
Arah kereta
Gambar 4. Kontur distribusi temperatur kondisi pagi (07.00-09.00).
Distribusi temperatur rata-rata sebesar 300,849 K (27,8490C) yang lebih rendah 0,0180C dari V1. Sehingga dengan adanya penambahan luasan bukaan jendela (V2), mampu membuat temperatur di dalam gerbong menjadi lebih
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
3
rendah dibandingkan bukaan jendela pada kondisi sebenarnya (V1).
Variasi 1
j1i - j11i
Arah kereta
Arah kereta
Gambar 5. Kontur distribusi temperatur kondisi siang hari (11.00-13.00).
Pada variasi 2, di kondisi siang hari sesuai didapatkan temperatur rata-rata sebesar 307,743 K (34,7430C) dan lebih besar 2,840C dari temperatur rata-rata pada V1 serta lebih besar 1,070C daripada temperatur lingkungan. Distribusi temperatur dari bidang 1 hingga bidang 12, berfluktuasi dari rentang temperatur 306-311 K
Arah kereta
Gambar 6. Kontur distribusi temperatur kondisi sore (15.00-17.00).
Pada Gambar 6, temperatur rata-rata yang dicapai sebesar 301,596 K (28,5960C) atau lebih kecil 1,50C daripada temperatur pada V1 di sore hari. Berdasarkan kontur distribusi temperatur, nilai temperatur di bidang 1 sangat rendah jika dibandingkan temperatur di bidang 2 dengan kenaikan sebesar 0,3540C Temperatur menjadi stabil di pada bidang 3 hingga 11 yaitu sekitar 301,6 K (28,60C). D. Hasil Simulasi Distribusi Aliran Udara Distribusi aliran udara yang disimulasikan dengan CFD ditampilkan dalam bentuk streamline. Adapun aliran udara di dalam gerbong di kondisi pagi, siang dan sore hari dengan variasi luas bukaan jendela sebagai berikut:
j1a - j11a
Gambar 7. Streamline aliran udara pada variasi 1 di pagi hari.
Pada Gambar 9, terlihat distribusi aliran udara yang merata di seluruh bagian pada gerbong. Tetapi pada daerah j1a (jendela kanan ke 1), terjadi turbulensi antara udara yang masuk dari j1a dan pintu depan. Lalu pada jendela j2-8a dan j1-7i, aliran udara terdistribusi merata dari kedua sisi jendela dan pola aliran udara lebih halus. Pada j10a dan j9i, aliran udara menjadi bergejolak kembali, karena aliran udara terhalang oleh adanya dinding kamar mandi dan bergerak cepat melalui pintu belakang.
j1i - j11i
Arah kereta j1a - j11a
Gambar 8. Streamline aliran udara pada variasi 2 di siang hari.
Berdasarkan Gambar 8, aliran udara menyebar dari j2-4 a dan j1-3i secara merata dan keluar melalui exhaust yang terdekat , yaitu exhaust 2.i Aliran udara dari j4-11a dan j3-11i menjadi bergejolak kembali dan berputar mencari outlet yang terdekat yaitu exhaust 5 dan 6 serta pintu belakang. Pada Gambar 9, aliran udara dari pintu depan bergerak memutar sebelum keluar melalui exhaust 1, karena terhalang oleh dinding kamar mandi. Sedangkan aliran udara dari j1dan 2i, bergerak ke arah tengah dan tiba-tiba bergerak memutar ke
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
4
atap dan keluar menuju exhaust 1dan 2. Aliran udara semakin ke belakang tidak terlalu bergejolak seperti pada aliran udara pada jendela bukaan penuh di siang hari. j1i - j11i
Arah kereta j1i - j11i
j1a - j11a
Arah kereta j1a - j11a
Gambar 11. Streamline aliran udara pada variasi 2 di siang hari.
Distribusi aliran udara pada Gambar 12, terlihat lebih merata dan teratur. Aliran udara dari jendela kanan dan kiri, bergerak menuju bagian tengah gerbong, sebagian keluar melalui exhaust dan bergerak menuju pintu belakang. Pada aliran udara j1a, terjadi turbulensi dengan aliran udara dari pintu depan dan saling mendorong keluar menuju exhaust yang terdekat.
Gambar 9. Streamline aliran udara pada variasi 1 di sore hari.
Variasi 2 (V2)
Adanya bukaan jendela lebih, aliran udara yang masuk ke gerbong, menjadi tersebar merata dan turbulensi menjadi berkurang dibandingkan pada bukaan jendela sebenarnya. Distribusi aliran udara variasi 2 di pagi hari ditunjukkan pada Gambar 10, di bawah ini:
j1i - j11i
Arah kereta j1a - j11a j1i - j11i
Gambar 12. Streamline aliran udara pada variasi 2 di sore hari.
Arah kereta j1a - j11a
E. Kenyamanan dengan Psychometric Chart Kenyamanan termal di dalam gerbong kereta api, dapat diketahui dengan mendapatkan nilai relative humidity (RH) dari diagram Psikrometri yang menggunakan titik perpotongan antara nilai h (entalphy) dan temperatur udara kering atau dry bulb temperature (Tdb).
Gambar 10. Streamline aliran udara pada variasi 2 di pagi hari.
Berdasarkan Gambar 11, aliran udara dalam gerbong menjadi lebih merata dan turbulensi tidak terlalu besar dibandingkan pada V1. Kuantitas aliran udara semakin ke arah belakang semakin bertambah banyak. Pola aliran udara dari jendela sisi kanan adalah cenderung bergerak ke tengah dan keluar menu pintu belakang. Sedangkan aliran udara dari jendela sisi kiri, bergerak ke tengah dan bertumbukan dengan aliran udara dari jendela sisi kanan, sehingga terdorong ke atas dan keluar melalui exhaust.
Tabel 1. Tingkat Kenyamanan pada Variasi 1 dan 2 Kondisi Pagi Siang Sore Pagi Siang Sore
Pada variasi 1: Tdb (0C) h (kj/kg) 27,86 79,1 31,90 83,31 30,1 81,43 Pada variasi 2: 27,84 79 34,74 111,93 28,59 79,86
RH (%) 83,99 66,58 73,77
Kategori hangat nyaman nyaman nyaman
83,96 83 80,5
hangat nyaman hangat nyaman hangat nyaman
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
5
Temperatur (0C)
F. Pembahasan Kondisi fisis yang terjadi pada bukaan jendela atau ventilasi alami di gerbong merupakan pergerakan udara dari dalam gerbong ke lingkungan yang disebabkan oleh adanya perbedaan tekanan udara antara perbedaan panas dalam gerbong dan luar gerbong atau lingkungan dan aliran udara yang masuk ke dalam gerbong. Aliran udara yang keluar masuk ke dalam gerbong mempengaruhi kenyamanan termal penumpang yang pada penelitian ini diwakili oleh distribusi temperatur pada titik pengukuran di 12 bidang yang memotong gerbong di sumbu XZ. Bidang-bidang tersebut memiliki nilai temperatur yang berbeda-beda sesuai dengan variasi luas bukaan jendela. Perbandingan temperatur pada variasi 1 dan 2 di tiga kondisi waktu yang berbeda diperlihatkan pada gambar 13. Berdasarkan Gambar 13, didapatkan bahwa terdapat pengaruh distribusi temperatur di dalam gerbong kereta terhadap bukaan jendela. Bukaan jendela untuk variasi 1 mampu menurunkan temperatur lingkungan yang masuk ke dalam gerbong secara konveksi hanya pada kondisi pagi dan siang hari. Besarnya penurunan temperatur lingkungan pada pagi hari yaitu 0,0120C dan pada siang penurunan temperatur cukup signifikan yaitu sebesar 1,760C. Sedangkan pada kondisi sore hari, variasi 1 (V1) belum mampu menurunkan temperatur dalam gerbong. Temperatur rata-rata dalam gerbong lebih besar daripada temperatur lingkungan sebesar 1,390C. Hal ini disebabkan kecepatan kereta diturunkan dari 25 m/s menjadi 20,83 m/s. 27.89 27.88 27.87 27.86 27.85 27.84 27.83 27.82 27.81 bidang
simulasi variasi 1 simulasi variasi 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (a)
simulasi variasi 1
39.5 39 38.5 38 37.5 37 36.5 36 35.5 35 34.5 34 33.5 33 32.5 32 31.5 31 30.5 30
bidang
simulasi variasi 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (b) simulasi variasi 1
Temperatur (0C)
: kurang nyaman, kulit merasakan kering yang tidak wajar. 50% ≤ RH ≤80% : nyaman, kulit kering wajar. 80 % < RH ≤ 90%: hangat nyaman RH ≥ 90 : tidak nyaman, udara pengap (terasa berat menekan) Berdasarkan tabel 1. , terlihat hubungan antara RH dengan temperatur rata-rata di dalam gerbong yang menunjukkan bahwa semakin tinggi nilai temperatur, maka RH semakin turun. RH mencapai nilai maksimum pada pagi hari, yang dapat menyebabkan proses pengembunan jika udara bersentuhan dengan bidang atau permukaan yang suhunya lebih rendah dari temperatur titik embun. Pada siang hari, RH mulai turun dan mengalami kenaikan lagi yang tidak melebihi nilai RH di sore hari.
Temperatur (0C)
Keterangan [4] : RH ≤ 40%
32 31.5 31 30.5 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5
bidang
simulasi variasi 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (c)
Gambar 13.Perbandingan distribusi temperatur di variasi bukaan jendela pada kondisi pagi (a), siang (b) dan sore (c).
Pada variasi 2, memberikan performansi penurunan temperatur rata-rata dalam gerbong yang lebih baik pada kondisi pagi dan sore hari variasi 1. Penurunan temperatur rata-rata dalam gerbong mencapai 0,030C pada kondisi pagi hari dan sebesar 0,110C untuk kondisi sore hari. Tetapi pada saat kondisi siang hari, variasi 2 membuat temperatur rata-rata dalam gerbong menjadi meningkat 1,6 % dari temperatur ratarata di variasi 1. Hal ini disebabkan variais penambahan luas bukaan menyebabkan kuantitas aliran udara lingkungan yang bertemperatur tinggi yaitu 306,67 K (33,670 C) masuk ke dalam gerbong menjadi lebih banyak. Akibatnya udara panas dari lingkungan yang dibawa oleh aliran udara juga semakin besar, karena terjadi akumulasi antara temperatur dalam gerbong dengan temperatur lingkungan. Pada variasi 1, RH terendah pada siang hari sebesar 66,58%. Hal ini disebabkan tingginya temperatur udara di dalam gerbong dan RH meninggi kembali di sore hari akibat cuaca yang mendung. Berdasarkan kategori kenyamanan hari yang didasarkan oleh
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 rentang nilai RH, kondisi nyaman terletak pada saat siang dan sore. Walaupun distribusi temperatur di kedua kondisi ini terlihat kurang baik dalam menurunkan temperatur lingkungan yang masuk ke dalam gerbong, adanya gerakan udara dalam gerbong yang terlihat lebih turbulen, sehingga menimbulkan kesejukkan dan membuat kondisi ini masih tergolong kondisi nyaman. Pola kenaikan dan penurunan RH di variasi 2 juga sama dengan di variasi 1, baik di kondisi pagi dan sore hari. Tetapi di siang hari, nilai temperatur tinggi dan nilai RH juga tinggi. Hal ini dikarenakan udara di dalam gerbong dipenuhi dengan kelembaban udara lingkungan dan udara di dalam gerbong yang berasal dari uap hasil evaporasi tubuh penumpang. Akibatnya pada variasi 2 ini, kurang sesuai diterapkan pada kondisi siang, walaupun masih tergolong hangat nyaman. Pada variasi 2, berdasarkan rentang RH, semua kondisi masih tergolong hangat nyaman. Sehingga berdasarkan analisa distribusi temperatur dan RH didapatkan bahwa faktor kecepatan dan kuantitas udara yang masuk ke dalam gerbong kereta perlu dipertimbangkan untuk mendapatkan kenyamanan termal. IV. KESIMPULAN Penelitian ini menghasilkan kesimpulan bahwa: Pada kondisi pagi dan siang, variasi luas bukaan jendela yang sesuai diterapkan adalah variasi 1 (V1) yang mampu menurunkan temperatur rata-rata dalam gerbong menjadi 0,012-1,760C. Sedangkan pada kondisi sore hari, kurang sesuai diterapkan, karena kondisi cuaca yang berawan. Aliran udara yang masuk ke gerbong merupakan aliran udara yang membawa kelembaban tinggi, sehingga meningkatkan temperatur rata-rata-rata dalam gerbong. Penambahan luas bukaan (variasi 2, V2) hanya sesuai diterapkan pada kondisi pagi dan sore hari, karena mampu menurunkan temperatur lingkungan sebesar 0,030C untuk kondisi pagi dan 0,110C untuk kondisi sore hari. Sedangkan untuk kondisi siang hari kurang sesuai diterapkan, karena pada saat dilakukan simulasi, besarnya laju aliran udara tidak mampu menurunkan temperatur dalam gerbong. Distribusi udara pada variasi 1 terlihat lebih turbulen daripada variasi 2. Sehingga distribusi udara lebih merata dan mampu menjangkau posisi tempat duduk penumpang yang berada di bawah bukaan jendela. Nilai RH terendah sebesar 66,58% pada variasi 1 di kondisi siang hari dan nilai RH terbesar pada kondisi pagi sebesar 83,99% dan 83,96% untuk variasi 1 dan 2. DAFTAR PUSTAKA [1] Haller, Gabriel. 2006. Thermal Comfort in Rail Vehicles. Rail Tee Arsenal. Austria. [2] Musat, R. 2009. “ Parameters and Models of The Vehicle Thermal Comfort”. Acta Universities Sapientiae, Electrical and Mechanical Engineering I : 215-226. [3] Peraturan Pemerintah Republik Indonesia, Nomor 72 Tahun 2009 tentang Lalu Lintas dan Angkutan Kereta Api. [4] Satwiko, Prasato. 2008. Fisika Bangunan. Penerbit ANDI. Yogyakarta.
6
