ANALISA PERHITUNGAN BEBAN PENDINGINAN DENGAN MENGGUNAKAN METODE CLTD DAN VISUALISASI PENCAHAYAAN DENGAN PERANGKAT LUNAK DIALUX

ANALISA PERHITUNGAN BEBAN PENDINGINAN DENGAN MENGGUNAKAN METODE CLTD DAN VISUALISASI PENCAHAYAAN DENGAN PERANGKAT LUNAK DIALUX Ranu Octoro, 0906631364 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia [email protected] Abstrak This research analyzes on cooling load calculation using CLTD method. The building used in the calculation of a case in a particular location and moved to a location of Jakarta and has had complete data. In addition this paper also describes the simulation process DIALux software. This software can visualize the lighting in a room. Analysis results showed that the method of calculation cltd good enough to be used as the steps of the method are very detailed. In addition, from the analysis found the factors that influence the increase cooling load include heat from the sun, infiltration, and lighting as well as lighting visualization is also available in a room, as a result of the simulation software DIALux Keywords : Cooling load, metode, CLTD, infiltrasi, pencahayaan, software, dialux

1. Pendahuluan Di zaman modern saat ini, pengkondisian udara pada suatu ruangan menjadi hal yang sangat diperhatikan agar ruangan tersebut bisa digunakan dengan maksimal. Contohnya pada ruangan kerja di gedung perkantoran, ruangan harus dikondisikan sedemikian sehingga para karyawan bisa bekerja dengan baik. Oleh sebab itu perlu dilakukan pengukuran besarnya cooling load dari ruangan atau gedung tersebut agar bisa diketahui jenis sistem HVAC mana yang harus digunakan. Salah satu cara menghitung cooling load adalah dengan menggunakan metode CLTD. CLTD adalah perbedaan temperatur teoritis yang merupakan efek dari gabungan perbedaan temperatur udara di dalam dan luar ruangan, daily temperature range, radiasi matahari, dan panas dari konstruksi gedung tersebut. Pengkondisian udara pada suatu ruangan banyak dipengaruhi oleh beberapa faktor yang menyebabkan naiknya beban pendinginan. Faktor-faktor tersebut diantaranya, infiltrasi, peralatan elektronik, dan pencahayaan. Dari ketiga faktor tersebut, pencahayaan memiliki distribusi yang lebih kompleks dalam peningkatan beban pendinginan dari faktor lainnya. Walaupun menjadi salah satu faktor penyebab meningkatnya beban pendinginan, pencahayaan juga sangat dibutuhkan dalam pengkondisian suatu ruangan. Pencahayaan bukan hanya berasal dari lampu atau alat penerangan lain, namun juga berasal dari cahaya matahari atau biasa disebut daylighting. Oleh karena itu, untuk mendapatkan pencahayaan yang sesuai, yaitu dimana ruangan bisa mendapatkan

cahaya yang cukup dan juga tidak menyebabkan meningkatnya beban pendinginan secara signifikan, maka perlu dilakukan perhitungan lebih lanjut untuk menentukan jenis pencahayaan yang digunakan dan seberapa besar cahaya matahari yang bisa digunakan pada ruangan tersebut. 2. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah 1. Mendapatkan visualisasi dari suatu ruangan dengan berbagai kondisi pencahayaan. 2. Menngetahui seberapa besar pengaruh dari pencahayaan terhadap beban pendinginan dari ruangan tersebut berupa hasil dari perhitungan manual dengan rumus dari ASHRAE. 3. Memahami cara penghitungan cooling load dengan metode manual atau lebih tepatnya menggunakan metode CLTD 3. Cooling Load dan CLTD Cooling Load adalah suatu nilai yang biasa digunakan untuk menunjukan berapa besar beban pendinginan dari suatu ruangan ataupun keseluruhan gedung yang nantinya akan dipasang sistem tata udara. Cooling load secara keseluruhan merupakan gabungan dari external load dan internal load. External load merupakan beban yang berasal dari perindahn panas yang ada di luar ruangan contohnya heat transfer yang terjadi lewat dinding, atap, lantai, jendela, pintu, dan lain-lain. Selain itu, beban juga didapatkan dari dari dalam ruangan atau biasa disebut internal load yang berasal dari panas yang ditimbulkan oleh manusia, alat elektronik, dan alat

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 1

penerangan seperti lampu. CLTD adalah perbedaan temperatur teoritis yang merupakan efek dari gabungan perbedaan temperatur udara di dalam dan luar ruangan, daily temperature range, radiasi matahari, dan panas dari konstruksi gedung tersebut. Nilai dari CLTD dipengaruhi oleh beberapa faktor dianntaranya, letak bangunan, kemiringan, dan waktu. CLTD digunakan untuk menyesuaikan panas konduktif dari dinding, atap, lantai, dan kaca. CLTD dibagi menjadi dua, yaitu: A. External Load • Panas konduksi dari dinding, atap, dan jendela !" = !" !"#$ !"## Qs adalah besarnya cooling load yang didapatkan, U adalah koefisien perpindahan panas dari material yang digunakan, dan A adalah luas dari diding, atap, atau jendela tersebut. CLTD yang digunakan sebelumnya perlu dikoreksi dengan rumus Untuk atap : !"#$!"## = !"#$ + !" ×! + 78 − !! + !! − 85 ×! Untuk dinding : !"#!!"## = !"#$ + !" ×! + 78 − !! + !! − 85 Untuk jendela : !"#$!"## = !"#$ + 78 − !" + !" − 85 TR adalah suhu yang ingin dicapai pada ruangan tersebut, sedangkan TM adalah hasil selisih dari temparatur udara luar maksimum dengan setengah dari beda temperatur udara harian. • Panas transmisi dari dinding kaca !" = !×!"×!"#

Dimana A adalah luas penampang, SC adalah shading coefficient, dan SCL adalah solar cooling load factor. B. Internal Load • Panas dari tubuh manusia Tubuh manusia dalam beraktivitas, selalu mengeluarkan panas ke udara sekelilingnya. Panas yang dilepaskan oleh tubuh manusia ini terdiri dari 2 jenis, yaitu panas sensible dan panas laten. Masing-masing panas ini dapat dihitung sebagai berikut: !" = !×(!"#$%&'"  !"#$  !"!")×!"# !" = !×(!"#$%#  !"#$  !"#$)

Sensible heat gain dan Laten heat gain adalah perkiraan panas sensible dan panas laten yang dikeluarkan manusia dan sesuai umur dan aktivitasnya. CLF adalah cooling load factor. • Panas dari lampu

Lampu atau alat penerangan berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi cahaya, namun pada kenyataannya sebagian energi ini akan berubah menjadi panas. Hal ini dapat dibuktikan, yaitu bola lampu akan terasa panas setelah dihidupkan beberapa lama. Besar panas yang dilepaskan bola lampu/penerangan ke lingkungan adalah panas sensible dan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: !" = !×!!" !!" ×!"# Dimana W adalah daya total lampu, !!" lighting use, !!" special allowance factor, dan CLF adalah cooling load factor untuk lampu. • Panas dari appliances Peralatan yang menggunakan listrik, gas, dan uap juga memiliki heat gain. Oleh karena itu panas dari alat-alat tersebut juga perlu dimasukkan pada perhitungan cooling load dengan persamaan : !" = !!! ×!! ×!! ×!"# !! = !!" ×!! Dimana !!" adalah input energy dari alat tersebut, !! adalah usage factor, !! adalah radiation factor, dan !"# adalah cooling load factor. • Infiltrasi Untuk menghitung panas dari infiltrasi digunakan persamaan !" = 1.08×!"#× !! − !!

dapat

!! = 4840×!"#× !! − !! Dimana CFM adalah flow rate dari infiltrasi, !! dan !! adalah temperatur outdoor dan indoor, !! dan !! adalah outdoor dan indoor humidity ratio, dan ℎ! dan ℎ! adalah outdoor dan indoor entalpi udara. 4. Dialux Dialux adalah engineering software yang berasal dari Jerman. Kelebihan dari software ini adalah tidak hanya mengandalkan sisi engineer-nya saja, namun juga dari sisi visualisasi. Dengan menggunakan Dialux, kita dapat mensimulasi ruang dengan menggunakan lampu yang benar-benar tersedia pada industri lampu dunia, Oleh karena itu hasil kalkulasi dan rendering akan menyerupai dengan keadaan yang sebenarnya. Pada software ini, kita juga dapat memilih spesifikasi lampu yang kita inginkan, baik dari segi distribusi cahayanya, Klasifikasi lampu atau melihat diagram polar dari lampu tersebut, sehingga kita dapat memutuskan,

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 2

jenis lampu seperti apa yang kita butuhkan pada project yang ingin dikerjakan. Pemodelan ruang pada Dialux, dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu membuatnya langsung pada Dialux itu sendiri, atau dengan menggunakan bantuan importing from DWG/DFX. Sedangkan, untuk modelling furniture pada Dialux, dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu membuatnya langsung pada Dialux itu sendiri menggunakan standard element, SAT file, atau menggunakan 3DS. Saat ini Dialux mempunyai dua jenis software yaitu Dialux dan DialuxEvo. Dari pengalaman saya menggunakan kedua software tersebut, masing-masing software memiliki kelebihannya sendiri. Pada DialuxEvo, pemodelan dapat dibuat menyeluruh seperti membuat gedung dengan banyak ruangan. Namun pada DialuxEvo tidak ditemukan kemampuan software untuk memberikan kondisi dengan pencahayaan alami atau biasa disebut daylighting, tidak seperti pada software Dialux dimana daylighting bisa ikut disimulasikan pada suatu model ruangan. Pada Dialux, kita dapat mensimulasikan 2 Pencahayaan, yaitu pencahayaan buatan dan alami. Sehingga kita dapat menentukan berapa titik lampu yang akan digunakan dengan spesifikasi lampu seperti apa dan dimana kita harus menentukan zoning saklar, apabila lampu sebagian zoning tidak lagi dibutuhkan di siang hari. Pada Dialux, kita juga dapat menggunakan Dimmer, sehingga Intensitas cahaya dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Dialux menggunakan Plug in Lampu yang dapat diunduh di website-nya, serta mempunyai plug in bawaan sebagai rendering machine, yaitu POV Ray. Selain dapat memvisualisasikan dalam produk 2D, Dialux juga dapat membuat walktrough / video. Berikut adalah User interface dari software Dialux.

♦ Tinggi

: 15 ft

♦ Jenis Jendela

: Double Glaze

♦ Luas Jendela

: 20% luas dinding

♦ U Jendela

: 0,55 BTU/h.ft².F

♦ U Wall (Number 13)

: 0,2 BTU/h.ft².F

♦ U Roof (Number 13)

: 0,177

♦ Occupancy

: 7 orang per 1000 ft²

♦ Jam Kerja

: 8 jam (09:00-17:00)

BTU/h.ft².F

Dari spesifikasi gedung yang didapatkan sebelumnya diketahui bahwa gedung terletak di Jakarta. Dengan lokasi tersebut maka bisa didapatkan design condition untuk outdoor dan indoor, yaitu sebagai berikut : [Referensi : 2009 ASHRAE Handbook – Fundamentals, Weather Station List, Jakarta (terlampir)] ♦ Latitude/Longitude : 6,12 S / 106,65 W (pada latitude dilakukan pembulatan menjadi 6 S) ♦ Outdoor design dry-bulb

: 91,6 °F

♦ Outdoor desing wet-bulb

: 78,5 °F

♦ Indoor dry-bulb

: 78 °F

♦ Daily range

: 13,6 °F

♦ RH

: 50

♦ Kecepatan angin

: 21,7 mph

Sebelum menghitung besarnya cooling load pada gedung ini, sebaiknya dilakukan pembagian zona untuk mempermudah perhitungan. Pembagian zona dilakukan untuk ruangan-ruangan yang memiliki karakteristik dan kondisi yang sama, sehingga perhitungan bisa dilakukan pada satu ruangan saja. Pada perhitungan ini, gedung memiliki 20 ruangan dan akan dibagi menjadi 5 zona seperti pada gambar dibawah ini

5. Data Perhitungan Gedung yang akan menjadi objek perhitungan cooling load adalah gedung yang termasuk dalam kategori bangunan perkantoran. Gedung tersebut memiliki satu lantai dan berlokasi di Jakarta. Berikut adalah karakteristik atau spessifikasi dari gedung secara keseluruhan: ♦ Lokasi : Jakarta ♦ Tipe Bangunan

: Office

♦ Jumlah Lantai

:1

♦ Luas Gedung

: 64 ft × 80 ft=5120 ft²

Gambar 1. Pembagian zona pada gedung Selain untuk data perhitungan CLTD, data tersebut juga digunakan untuk input pada software dialux, namun

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 3

sebelum melakukan simulasi paada DIALux, sebelumnya perlu dilakukan simulasi dengan Energy Plus untuk mendapatkan seberapa besar daya yang akan digunakan lampu jika pencahayaan dibantu dengan daylighting. Untuk melakukan simulasi pada Energy Plus sebelumnya perlu dibuat desain dari ruangan yang akan dikondisikan yaitu ruangan pada zona 2 sebagai berikut.

Gambar 2. Desain ruangan pada Zona 2 Setelah desain dibuat, barulah input untuk Energy Plus dimasukkan sebagai berikut.

Gambar 3. Simulasi dengan software Energy Plus (Input Light)

Gambar 4. Simulasi dengan software Energy Plus (Input Daylight)

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 4

6. Hasil Perhitungan dan Simulasi

Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan didapatkan hasil sebagai berikut Tabel 1. Tabel hasil perhitungan cooling load per zone

Tabel 2. Tabel maximum cooling load Maximum  Cooling  Load   Time  

Sensible  (Btu/h)  

Latent  (Btu/h)  

Total  (Btu/h)  

17:00  

154873.29  

47634.88  

202508.17  

Selain hasil perhitungan juga didapatkan hasil simulasi dari DIALux, berupa visualisasi dari pencahayaan pada suatu ruangan di Zona 2. Berikut adalah kondisi ruangan setelah dilakukan simulasi, simulasi dilakukan pada tiap jam, dari jam 09:00

sampai dengan jam 17:00 agar dapat terlihat bagaimana kondisi ruangan yang sebernarnya. Berikut adalah hasil dari simulasi dengan menggunakan software Dialux tersebut.

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 5

Gambar 4. Hasil simulasi DIALux pada Zona 2 (09:00 – 17:00)

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 6

Selain hasil visualisasi pencahayaan seperti pada gambar diatas didapat juga diagram isolines yang menggambarkan seberapa besar pembagian cahaya yang didapatkan pada ruangan tersebut. Berikut adalah diagram isolines dari ruangan pada jam 17:00.

Gambar 5. Diagram Isolines pada jam 17:00

Dari gambar tersebut dapat disimpulkan bahwa seluruh bagian ruangan mendapatkan pencahayaan yang cukup yaitu sesuai dengan kebutuhan cahaya ruang perkantoran sebesar 350 lux. 7. Analisa Dari hasil-hasil perhitungan yang telah didapat, bisa dikatakan bahwa tidak ditemukan keanehan. Contohnya bisa dilihat dari cooling load terbesar pada Zona 2 terjadi pada pukul 10:00 pagi yaitu sebesar 38228,34 Btu/h atau 11203,62 W. Hal ini tentunya disebabkan karena dinding terluar pada Zona 2 menghadap kearah timur, dan pada waktu tersebut letak dari matahari juga ada di arah timur, sehingga panas dari matahari akan banyak masuk keruangan dan membuat cooling load menjadi lebih besar. Hal ini juga lebih dipastikan lagi pada hasil perhitungan di Zona 4. Cooling load terbesar pada Zona 4 terjadi pada pukul 05:00 sore yaitu sebesar 55839,99 Btu/h atau 16365,08 W, yaitu dimana saat matahari berada di arah barat dan sesuai dengan dinding pada Zona 3 yang menghadap kearah barat. Namun tentunya bukan hanya matahari saja yang menjadi factor penentu semakin besarnya jumlah cooling load. Hal lain seperti infiltrasi, panas dari peralatan elektronik, dan panas dari pencahayaan juga sangat berperan dalam meningkatnya jumlah cooling load. Faktor peralatan elektronik dan pencahayaan memiliki pengaruh yang cukup besar dalam hal ini,

karena semakin lama digunakan peraltan elektronik dan pencahayaan akan memberikan panas yang semakin besar. Hal ini bisa dilihat pada hasil perhitungan di Zona Kitchen dimana banyak peralatan elektonik yang menghasilkan panas. Cooling load terbesar pada zona tersebut terjadi pada pukul 05:00 sore dimana pemakaian alat tersebut sudah mencapai 8 jam yaitu sebesar 22208,95 Btu/h atau 6508,8 W. Angka tersebut memang terlihat lebih kecil dibandingkan zona lainnya, karena letak ruangan yang berada di tengah gedung sehingga pengaruh dari external load hanya akan datang dari atap saja. Dari perhitungan didapatkan bahwa maximum cooling load dari keseluruhan gedung terjadi pada pukul 05:00 sore yaitu sebesar 202494,49 Btu/h atau 59345,28 W. Hal ini sesuai dengan alasan-alasan yang dijelaasakan sebelumnya dimana pada waktu tersebut peralatan dan pencahayaan akan menghasilkan panas yang lebih besar dibandingkan waktu-waktu sebelumnya. Selain hasil perhitungan cooling load juga didapatkan visualisasi ruangan yang merupakan hasil dari simulasi software DIALux. Pada visualisasi tersebut dapat dilihat bagaimana kondisi ruangan di Zona 2 pada tiap jamnya, dari jam 09:00 hingga jam 17:00. Dari hasil visualisasi pada jam 09:00 sampai jam 11:00 didapatkan bahwa cahaya matahari masuk secra langsung ke dalam ruangan karena letak matahari yang masih berada di arah timur. Hal ini menyebabkan, penggunaan lampu dapat dikurangi menjadi 30% saja namun ruangan tetap terlihat terang. Pada simulasi berikutnya, yaitu pada jam 12:00 sampai jam 15:00, cahaya matahari tidak lagi secara langsung memasuki ruangan karena posisi matahari yang mulai bergerak kearah barat. Walaupun demikian cahaya dari matahari masih mencukupi untuk memenuhi kebutuhan cahaya pada ruangan sehingga, penggunaan lampu tetap seperti sebelumnya yaitu 20% nya saja. Sementara itu pada hasil simulasi berikutnya, yaitu pada jam 16:00, cahaya matahari semakin berkurang dan tidak lagi dapat mencukupi kebutuhan cahaya didalam ruangan Oleh sebab itu, penggunaan daya untuk lampu dinaikkan menjadi 30% sehingga lampu dapat menghasilkan cahaya lebih untuk memenuhi kebutuhan ruangan. Pada simulasi terakhir, yaitu pada jam 17:00, cahaya matahari yang masuk ke ruangan semakin berkurang karena kondisi matahari yang mulai terbenam. Hal ini menyebabkan penggunaan daya untuk lampu dinaikkan hingga

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 7

95%, sehingga ruangan dapat tetap nyaman untuk digunakan. . 8. Kesimpulan Dari keselurahan proses perhitungan dan hasil yang telah didapatkan, didapatkan pula beberapa kesimpulan sebagai berikut : • Banyak faktor yang dapat mempengaruhi besarnya cooling load pada suatu bangunan, diantaranya panas dari matahari, infiltrasi, panas dari peralatan, panas dari pencahayaan, dan panas dari orang yang ada didalam ruangan. • Dari faktor-faktor tersebut pencahayaan juga memiliki pengaru penting dalam kenyamanan ruangan, terlebih lagi jika ruangan tersebut digunakan sebagai kantor atau tempat yang memerlukan pencahayaan yang cukup. • Besarnya cooling load pada zona atau ruangan yang berhadapan langsung dengan lingkungan luar sangat dipengaruhi oleh panas dari matahari, hal ini bisa dilihat pada Zona 2 yang memiliki cooling load terbesar pada jam 10:00 pagi, karena zona ini menghadap timur dimana pada waktu tersebut matahari juga ada di arah timur. • Jika ruangan tidak berhadapan langsung dengan lingkungan luar maka panas dari peralatan dan pencahayaanlah yang paling berpengaruh, seperti pada ruangan dapur yang memiliki cooling load terbesar pada jam 05:00 sore, dimana panas yang dihasilkan oleh peralatan dan pencahayaan akan semakin besar karena waktu operasi yang semakin lama. • Pada bangunan di tulisan ini, setelah dilakukan perhitungan manual dengan metode CLTD, didapatkan maximum cooling load terjadi pada jam 05:00 sore yaitu sebesar 202494,49 Btu/h atau 59345,28 W. • Cooling load terbesar terjadi pada jam 17:00 karena pengaruh dari internal load seperti lampu dan alat-alat elektronik sangat besar, terutama apabila lampu dan alat-alat itu semakin lama digunakan. • Metode CLTD bisa diajadikan aternatif untuk menghitung cooling load dibanding dengan menggunakan software karena cara penggunaanya cukup sederhana walaupun proses perhitungan sangat panjang. • Dari hasil simulasi software DIALux dapat disimpulkan bahwa cahaya matahari sangat membantu dalam pencahayaan dari suatu

•

ruangan, dengan begitu lampu tidak harus bekerja secara penuh selama cahaya matahari masih mencukupi kebutuhan cahaya pada ruangan tersebut. Dengan penurunan dari penggunaan daya untuk lampu, diasumsikan bahwa bukan hanya penurunan dalam energi yang digunakan, namun juga didapatkan penurunan dari besar panas yang dihasilkan lampu. Hal ini tentunya akan membuat cooling load total juga mengalami penurunan.

9. Referensi Air Exchange Rate. Engineering Toolbox. http://www.engineeringtoolbox.com/air-change-rated_882.html. Diakses pada 16 Juni 2013 Baird, Jeanne. 2001. 2001 Ashrae Handbook Fundamentals. Atlanta, GA Bell Jr., Arthur A. 2006. HVAC Equations Data and Rules of Thumb Bhatia. Cooling Load Calculations and Principles Comstock, W. Stephen. 2009. 2009 Ashrae Handbook Fundamentals. Atlanta, GA Parsons, Robert A. 1997. 1997 Ashrae Handbook Fundamentals. Atlanta, GA William, Rudoy & Cuba, Joseph F. Cooling and Heating Load Calculation Manual. USA Spitler, Jeffrey S. 2006. ASHRAE RP-1199 Updating The ASHRAE Residential Heating & Cooling Calculation Procedures and Data. Atlanta, GA Simons, R.H. 2001. Lighting Engineering Applied Calculations. MPG Books Ltd, Bodmin, Cornwall SNI 03-6575-2001, Tata Cara Perancangan Sistem Pencahayaan Buatan pada Bangunan Gedung

Analisa Perhitungan..., Ranu Octoro, FT UI, 2013 8