Perencanaan Ulang Sistem Instalasi Air Bersih Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah VIII (Ninik Martini Dan Sudarmono)
PERENCANAAN ULANG SISTEM INSTALASIAIR BERSIH KANTOR OTORITAS BANDAR UDARA WILAYAH III Ninik Martini1,Sudarmono2 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945 Surabaya
Abstract Redesign Water System Intallation Office of Airport Authority Region III. Old building and new building Airport Authority Region III has a working installation of water and pumps of different systems. Old building consists of three floors using press tank system (hydrosphere). Being new building consists of 7 floors using roof tank systems. With consideration of cost efficiency of electricity consumption and maintenance costs burden, the press tank system is considered less efficient because of the fluctuation of the working pressure greater than the tank roof system. This resulted in the pumps often operate ON - OFF quickly also resulting in large power consumption and potentially cause damage to pumps and installation. The purpose of this study was to plan the installation of the system on integrated water on both the building using roof tank system. From the analysis of the water requirement calculations required water availability of 120 m3 / day. For office buildings with average working hours of eight hours are taken into account during peak usage hours by 27 m 3 / h. Of the allowable flow rate, then the dimensions of the transfer pipes and main pipes 3 inch, collection pipes and branch pipes varies the ½, ¾, 1, 1¼ and 1½ inch. For ground water tank volume of 90 m 3, roof tank was needed capacity of 67.5 m3 (3 units @ 22,500 liter tank). Take into account head losses that occur in the transfer pipe, acquired 34 m total head pumps, hydraulic power with 78% efficiency of 3.21 kW. Of reference brands Grundfos pump then pumps Grundfos selected types of vertical multistage centrifugal pump with specifications: Type CR (E) 32-2, capacity 32 m3 / h, head 34 m, 4 kW motor power, supply voltage 3 x 380-480 Volt, 2900 rpm rotation and frequency of 50 Hz. Pumps installed two units in parallel. Keywords: the water demand, roof tank, pump, flow rate, reservoir.
I. PENDAHULUAN Gedung lama dan gedung baru Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah III yang masing-masing terdiri dari 3 lantai dan 7 lantai mempunyai instalasi air dan sistem kerja pompa yang berbeda. Dengan pertimbangan efisiensi biaya pemakaian beban listrik dan biaya perawatannya, maka pada sistem tangki tekan (hidrosfer) pada gedung lama dianggap kurang efisien. Hal ini terjadi karena terjadi fluktuasi tekanan kerja lebih besar dibandingkan dengan sistem tangki atap. Dengan fluktuasi tekanan yang cepat mengakibatkan pompa akan sering beroperasi ON – OFF dengan cepat juga. Hal ini mengakibatkan pemakaian daya listrik yang besar dan berpotensi menimbulkan kerusakan pada pompa dan instalasinya. Untuk itu diperlukan perencanaan ulang instalasi air yang terintegrasi pada gedung lama dan gedung baru menggunakan sistem tangki atap. Seperti halnya perencanaan ulang yang pernah dilakukan oleh Budi Prasetyo dalam Tugas Akhirnya pada tahun 2004 tentang Perencanaan Ulang Sistem Distribusi Air Bersih Pada Hotel Santika Surabaya, maka tujuan dari Perencanaan Ulang Sistem InstalasiAir Bersih Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah III adalah untuk menganalisa dan merencanakan ulang kebutuhan pemakaian air, laju
aliran volume, volume ground reservoir, volume roof tank, diameter pipa-pipa yang digunakan dankerugian tinggi tekan (head losses) dalam pipa, serta pemilihan spesifikasi pompa terhadap head total pompa dan daya pompa berdasarkan jumlah pemakaian air. II. METODOLOGI Dalam perencanaan ulang instalasi air ini direncanakan dalam satu sistem distribusi yang terintegrasi menggunakan sistem tangki atap dimana suplai air dari PDAM yang ditampung di reservoir bawah kemudian dipompakan terlebih dahulu ke roof tank. Air selanjutnya didistribusikan ke tiap lantai gedung dengan pipa distribusi menggunakan sistem gravitasi. Adapun perencanaan ulang sistem instalasi airnya seperti gambar dibawah.
76
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
Qh max = (c1)(Qh) dimana : nilai c1 berkisar anatara 1,5 sampai 2,0. Untuk pemakaian air pada menit puncak dapat dihitung dengan rumus berikut: Qm max = (c2)(Qh / 60) dimana : nilai c2 berkisar antara 3,0 - 4,0. 4. Menganalisa kebutuhana air pada tiap-tiap lantai dengan memperhitungkan prosentase pemakaian air dari total kebutuhan seluruh gedung. perhitungannya dapat ditentukan berdasarkan jumlah orang pada tiap lantai.
Gambar 1. Skema instalasi air terintegrasi dengan sistem tangki atap Data penunjang yang diperlukan dalam perencanaan ulang sistem instalasi air bersih Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah III antara lain jumlah orang pada tiap lantai, penggunaan lantai tiap gedung, jumlah lantai tiap gedung, tinggi lantai tiap gedung, luasan dan data lain yang terkait dalam perencanaan. Untuk jumlah orang diasumsikan berdasarkan jumlah maksimum dari kapasitas gedung tiap lantai yang terdiri dari jumlah pegawai dan jumlah pengunjung (tamu, undangan, dan masyarakat yang ingin mendapatkan pelayanan). Data yang diperoleh kemudian diolah dengan tahapan pengerjaan sehingga mendapatkan output yang diinginkan sebagai berikut : 1. Menghitung kebutuhan air bersih berdasarkan jumlah penghuni dan pengunjung dari masingmasing lantai. Sehingga dapat diketahui total kebutuhan pemakaian air seluruh gedung dengan memperkirakan kebutuhan setiap orang seperti pada tabel pemakaian air rata-rata per orang setiap hari (Noerbambang, 2000:34). 2. Selanjutnya adalah memperhitungkan pemakaian air pada jam (beban) puncak dimana pada saat tersebut pemakaian air secara serentak pada setiap alat plambing. Laju aliran volume pada jam puncak inilah sebagai dasar atau pedoman untuk merencanakan dan menentukan dimensi-dimensi pada sistem seperti reservoir bawah, roof tank, diameter pipa dan pemilihan spesifikasi pompa yang digunakan. 3. Menghitung kebutuhana air dimana rumusnya :
5. Menentukan diameter pipa-pipa terdiri dari pipa transfer dan pipa distribusi. Untuk pipa distribusi terdiri dari : - Pipa distribusi utama - Pipa distribusi pengumpul (header) - Pipa distribusi cabang Penentuan diameter pipa diperhitungkan dengan rumus : 4Q D V dimana : D = Diameter pipa (m) Q = Debit aliran dalam pipa (m3/detik) V = Kecepatan air dalam pipa (m/det) ( V rencana diizinkan max. = 2 m/s) π = 3,14 atau 22/7 Dalam perencanaan penentuan diameter pipa juga mempertimbangkan minimum size of fixture supply pipes berdasarkan berbagai jenis alat plambing yang digunakan. 6. Menentukan kapasitas reservoir bawah, dimana suplai air dari PDAM diasumsikan 100% berlangsung 24 jam tanpa sumber tambahan lain. Dianggap bahwa suplai air kuantitasnya mencukupi termasuk pada saat peak time. - persentase suplai air per jam sehari = 1/24 jam x 100 % - persentase pelayanan air = t/24 jam x 100 %, dimana “ t “ adalah waktu pemakaian air. maka : VGWT = (% Kebutuhan Air Per-Jam - % Pelayanan Air) x Qd x (Jam Pemakaian)
Qh = Qd / t dimana : Qh = Pemakaian air rata-rata (m3/jam) Qd = Pemakaian air rata-rata sehari (m3) t = Jangka waktu pemakaian (jam) Pemakai pada jam puncak dapat dihitung sebagai berikut:
7.
Menentukankapasitas roof tank dapat dihitung dengan persamaan : (
)
79
Perencanaan Ulang Sistem InstalasiAir Bersih Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah III (Ninik Martini Dan Sudarmono) dimana : VE = Kapasitas efektif tangki atas (liter) Qp = Kebutuhan puncak (liter/menit) Qmax = Kebutuhan jam puncak(liter/menit) Tp = Jangka waktu kebutuhan puncak (menit) Qpu = Kapasitas pompa pengisi (liter/menit) Tpu = Jangka waktu kerja pompa pengisi (menit) 8.
Aliran laminar dan aliran turbulen. Angka Reynold : Re
Dimana : Re
V D
VD VD
= Bilangan/ Angka Reynolds = massa jenis air (kg/m3) = kecepatan air pada pipa (m/s) = Diameter pipa (m) = Dynamic Viscosity (kg/m.s) = Kinematic Viscosity (m2/s)
Koefisisen kerugian gesek aliran laminar : f
La min ar
64 Re
Koefisisen kerugian gesek aliran turbulen : 0,3164 f Turbulen Re 0,25 Faktor gesek juga dapat didefinisikan sebagai fungsi angka Reynold dan harga kekasaran relatif bahan pipa. Untuk faktor gesekan ( f ) berdasarkan angka Reynold dan relative roughness/D didapat dari diagram Moody.
Gambar 3. Relative Roughness – Pipe Diamater Chart 9.
Menghitung kehilangan tinggi tekan (head losses) dan kerugian gesek pada pipa. Persamaan Darcy-Weisbach : hf f
LV 2 D 2g
Dimana : hf = Kerugian gesek dalam pipa D = Diameter pipa (m) L = Panjang pipa (m) f = faktor gesekan (friction factor) V = kecepatan air pada pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2)
Persamaan Hazen-William : Hf d
Gambar 2. Diagram Moody
10,67 Q1.85 xL C 1,85 . d 4,87
dimana : Hfd = Head losses mayor (m) Q = Debit pompa (m3/s) C = Koefisien Hazen-William D = Diameter pipa (m) Ltotal = Panjang pipa total (m) Head losses minor (pada sambungan, belokan, reducer, dll) v2 Hfs k 2g
80
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
dimana : Hfs = Head losses minor (m) k = Koefisien kerugian v = kecepatan rata-rata dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2)
10. Menghitung head total pompa. H H a H p H f
Sehingga total kebutuhan seluruh gedung seperti Tabel 1. : Lt.
v2 2g
dimana : H = Head total pompa (m) Ha = Head statis total (m)
H p
Qgd. lama = QL1 + QL2 + QL3 = 21.000 + 5.600 + 4.700 = 31.300 liter / hari
Pegawai
v2/2g
Kebutuhan Air (liter/orang/hari)
Kebutuhan Air (liter/hari)
Air per Lantai
1 2 3 4 5 6 7
20 20 30 200 100 200 -
22 54 72 214 112 200 -
100 100 100 100 100 100 -
2200 5400 7200 21400 11200 20000 -
2.23 5.47 7.29 21.68 11.35 20.26 -
67400
68.29
21000 5600 4700
21.28 5.67 4.76
31300
31.71
98700
100
2 34 42 14 12 -
Sub Total Kebutuhan Air Gedung Baru (liter/hari) GEDUNG LAMA
= Perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua permukaan air (m) = hp2 - hp1 = Berbagai kerugian head di pipa, katup, belokan, dll (m) Hf = Hfd + Hfs = Head kecepatan keluar (m), dimana g = 9,81 m/s2
11. Menghitung persamaan :
daya
pompa
menggunakan
Pw = ɣ Q H dimana : Pw = Daya hidrolik (kW) ɣ = Berat spesifik (kgf/liter) Q = Kapasitas pemompaan (m3/menit) H = Head total pompa (m)
1 2 3
30 26 27
Pada Gedung Baru : Q (Lantai 1) = (Jumlah orang per hari) X (Kebutuhan air 1 orang per hari) = 22 x 100 liter = 2.200 liter liter/hari
180 210 100 30 56 100 20 47 100 Sub Total Kebutuhan Air Gedung Lama (liter/hari) TOTAL KEBUTUHAN (Gd. Baru + Gd. Lama)
Sumber : hasil perhitungan. Perlu adanya penambahan sebesar 20% untuk mengantisipasi adanya kebocoran, pancuran air, penyiraman halaman, taman dan lain-lain. Sehingga pemakaian air rata-rata sehari dapat diketahui : - Qd = Q + 0,2 Q = 98,70 + (0,2 x 98,70) = 118,44 m³/hari 120 m³/hari. Pemakaian selama jam kerja (untuk perkantoran rata-rata 8 jam) dapat dihitung sebagai berikut : - Qh = Qd / T = 120 m3/ 8 jam = 15 m³/jam. -
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk kategori gedung perkantoran ditetapkan kebutuhan air rata-rata per orang sehari adalah 100 liter/orang/hari (Noerbambang, 2000:48).
-
Jumlah Orang
GEDUNG BARU
H p
Hf
Pemakaian air pada jam puncak Qh – max = (c1) . (Qh) = 1,8 x 15 m³/jam = 27 m³/jam 0,0075 m3/s
Perhitungan diameter pipa. - Diameter pipa pengumpul Lt. 1 (GL). - Debit Q (gl_L1) = (0,0075) m3/s x 21,28 % = 1,596 x 10-3 m3/s - Kecepatan aliran rencana V = 1 m/s V max. yang diizinkan 2 m/s - Diameter pipa pengumpul : Dp
Dengan perhitungan yang sama, total kebutuhan air untuk gedung baru : Qgd. baru
% Kebutuhan
Pengunjung Maksimum Per Hari
= QL1 + QL2 + QL3 + QL4 + QL5 + QL6 + QL7 = 2.200 + 5.400 + 7.200 + 21.400 + 11.200 + 20.000 + 0 = 67.400 liter / hari
Pada Gedung Lama : Total kebutuhan airnya yaitu :
-
4 Q (gl_L1)
V 4 x (1,596 x 10 -3 ) m 3 / s
3,14 x 1 m/s = 0,045 m = 45 mm Standar diameter pipa komersial dipilih 1½ inch (inside diameter = 40,9 mm) Cek kecepatan aliran :
81
Perencanaan Ulang Sistem InstalasiAir Bersih Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah III (Ninik Martini Dan Sudarmono)
V cek
4 Q gl_L1
(D p ) 2
Cek 3 inch (inside diameter = 77,9 mm)
-3
V cek
3
4 x (1,596 x 10 ) m / s 3,14 x (40,9 x 10 -3 ) 2 m 2 = 1,22 m/s memenuhi syarat < 2 m/s -
-
4 x 0,0075 m 3 / detik 3,14 x (77,9 x 10 -3 ) 2 m 2 = 1,57 m/detik memenuhi syarat < 2 m/detik Sehingga dipilih pipa transfer berdiameter Dtr = 3 inch. Volume Ground Water Tank - (1/24) x 100 % = 4,17 %. - (1/8) x 100 % = 12,5%. - pemakaian air rata-rata sehari Qd = 120 m³/hari
Panjang = 5 m; Lebar= 4 m; Tinggi = 4 m Freeboard = 10 % x tinggi = 10 % x 4 m = 0,4 m Tinggi air muka minimum = 0,1 m TGWT total = TGWT + freeboard + tinggi muka air minimum = 4 + 0,4 + 0,1 = 4,5 m Cek V GWT =pxlxt = 5 x 4 x 4,5 = 90 m3
Diameter pipa distribusi utama. - Debit total jam puncak = 0,0075 m3/s - V aliran rencana V = 1,5 m/s - Diameter pipa distribusi utama :
4 x (0,0075 x 10 -3 ) m 3 / s
3,14 x 1,5 m/s = 0,079 m = 79 mm - Standar diameter pipa komersial dipilih 3 inch (inside diameter = 77,9 mm) - Cek kecepatan aliran : 4 Q (h_max V cek (D u ) 2
Volume Ground Water Tank - Qp = 120 m3/ jam - Qh max = 27 m3/ jam - Tpu = 0,5 jam - Tpu mp = 10 menit = 0,17 jam - Qpu = Qh max = 27 m3/ jam -
memenuhi syarat < 2 m/s Diameter pipa transfer. -
Volume Roof Tank : V_RT = (Q_p-Q_(h max) ) T_P-Q_pu x T_pu = [(120 – 27) m3/jam x 0,5 jam] - [ 27 m3/jam x 0,17 jam] = 51,09 51 m3 - Untuk memenuhi kebutuhan volume yang direncanakan, sesuai standar komersial Roof Tank dibutuhkan 3 unit dengan ukuran : VRT = 22.500 x 3 = 67.500 liter = 67,5 m3
4 x (0,0075 x 10 -3 ) m 3 / s 3,14 x (77,9 x 10 -3 ) 2 m 2 = 1,57 m/s
-
(D tr ) 2
Diameter pipa cabang Lt. 1 (GL). Dari Tabel 2.3 minimum diameter pipa yang digunakan ¾ inch.
Tabel 2. Hasil perhitungan diameter pipa pengumpul dan distribusi cabang
4 Q h_max
V max. yang diizinkan V = 2 m/s Qp jam puncak = 0,0075 m3/s
-
Kerugian gesek pipa distribusi perhitungan Gd. Lama Lt.1)
(contoh
82
Mekanika Jurnal Teknik Mesin, Volume 1 No. 1, 2015
-
Dari Relative Roughness Chart /D = 0,0065
-
Dari diagram Moody didapat
f = 0,032
-
3,5 x (1, 22) (1,22) 0,35x 0, 032x x5 0,021 x 2 x 9,8 2 x 9,8 (1,22) 2 (1,22) 2 x1 0,2x x2 0,2x 2 x 9,8 2 x 9,8 2
2
= 0,583 m
Head total pompa - Kerugian total pada pipa
-
Head kecepatan
-
Head statis
Tabel 3. Hasil perhitungan kerugian gesek pipa
Sehingga head total didapat:
-
Kerugian gesek pipa transfer
-
Daya pompa Diketahui : Q H
air ɣair
= 27 m3/jam = 0,0075 m3/s = 32,43 m = 995,7 kg/m3 (asumsi Tair = 30 oC) = 995,7 kg/m3 x 9,81 m/s2 = 9767 N/m3 = 9,767 kN/m3
Sehingga : Pw = ɣ Q H = (9,767 kN/m3) x (0,0078 m3/s) x (32,85 m) = 2,5 Kw
83
Perencanaan Ulang Sistem InstalasiAir Bersih Kantor Otoritas Bandar Udara Wilayah III (Ninik Martini Dan Sudarmono) KESIMPULAN Berdasarkan perhitungan perencanaan ulang yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Laju aliran volume yang dibutuhkan pada masing-masing lantai. - Lantai 1 gedung lama = 95,76 liter/menit - Lantai 2 gedung lama = 25,52 liter/menit - Lantai 3 gedung lama = 21,42 liter/menit - Lantai 1 gedung baru = 10,04 liter/menit - Lantai 2 gedung baru = 24,62 liter/menit - Lantai 3 gedung baru = 32,82 liter/menit - Lantai 4 gedung baru = 97,56 liter/menit - Lantai 5 gedung baru = 51,06 liter/menit - Lantai 6 gedung baru = 91,20 liter/menit 2.
DAFTAR PUSTAKA SAnonymous. 2002. Computer Applications in Hydraulic Engineering. Brookside Rd, Waterbury CT : Haestad Methods, Inc. Anonymous. 2004. Pump Handbook. Bjerringbro : Grundfos. Anonymous. 2005. SNI 03-7065-2005 : Tata Cara Perencanaan Sistem Plambing. Jakarta : Badan Standardisasi Nasional. Anonymous. 2009. International Plumbing Code. Chicago : International Code Council, Inc.
Hasil perhitungan dalam perencanaan : a) Diameter pipa. - Untuk pipa distribusi cabang ukuran diamternya yaitu ½ dan ¾ inch. - Untuk pipa pengumpul pada masing-masing lantai digunakan berbagai variasi ukuran terdiri dari ½, ¾, 1, 1¼ dan 1½ inch. - Untuk diameter pipa distribusi utama menggunakan ukuran 3 inch. - Untuk diameter pipa transfer menggunakan ukuran 3 inch.
Anonymous. 2011. Pedoman Penulisan Tugas Akhir. Surabaya : Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas 17 Agustus 1945.
b) Volume ground reservoir (GWT). Hasil perhitungan volume tangki air bawah 79,97 m3, dimensi rencana ground reservoir berupa persegi panjang maka direncanakan ukuran p x l x t = 5 x 4 x 4,5 = 90 m3.
Anonymous. - . Grundfos Data Booklet : Vertical Multistage Centrifugal Pumps. Surabaya : Lenntech
c)
e)
Volume roof tank. Hasil perhitungan volume tangki air atas 51,09 m3, sesuai standar ukuran yang tersedia di pasaran maka digunakan Roof Tank dari bahan plastik ukuran 22.500 liter sebanyak 3 unit sehingga total volumenya 67,5 m3. Kerugian tinggi tekan (head losses). Nilai kerugian tinggi tekan (head losses) dalam pipa transfer terdiri dari head losses mayor 1,89 m dan head losses minor 3,82 m, sehingga kerugian tinggi tekan pada pipa sebesar 5,71 m
3. Untuk pemilihan spesifikasi pompa yang digunakan yaitu : Merk = Grundfos Tipe = CR (E) 32-2 Kapasitas (Q) = 32 m3/jam Head (H) = 34 m Daya Motor (P2) = 4 kW Supply Voltage (V) = 3 x 380 – 480 Volt Putaran (n) = 2900 rpm Frekwensi (f) = 50 Hz Jumlah = 2 unit dipasang paralel (1 operasi, 1 cadangan, digunakan bergantian)
Anonymous. 2012. The Plumbers Handbook. Eighth Edition. Kembla : Copper Development Centre Australia, Ltd. Anonymous. 2014. Hydraulic Piping Standard Handbook. Revision 1. Finland : GS-Hydro Corporation.
Evett JB, Liu C. 1987. Fundamentals Of Fuids Mechanics. New York : McGraw-Hill. Nara.
2011. Tangki Silinder. (Online), (http://mitrasarana.net/2011/08/22/tangkisilinder/, diakses 2 Juni 2015).
Noerbambang SM, Morimura T. 2000. Perancangan Dan Pemeliharaan Sistem Plambing. Jakarta : PT. Pradnya Paramitha. Soedradjat S. 1983. Mekanika-Fluida & Hidrolika. Bandung : Nova. Sularso, Haruo T. 2000. Pompa Dan Kompresor : Pemilihan, Pemakaian, dan Pemeliharaan. Jakarta : PT. Pradnya Paramitha. White FM. 2011. Fluid Mechanics. 7th Edition. New York : McGraw-Hill.
84
