HANDOUT
FISIKA BANGUNAN (TKF 3310)
oleh :
Dr.Eng.Mohammad Kholid Ridwan, ST, M.Sc.
PROGRAM STUDI FISIKA TEKNIK JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA 2010
I. PENDAHULUAN I.1. Fakta tentang bangunan dan konsep pembangunan berkelanjutan Bangunan adalah barang yang melekat erat dalam kehidupan manusia, dari sejak permulaan manusia ada. Tercatat bahwa keberadaan bangunan ada sejak keberadaan manusia itu sendiri. Beberapa hal yang menyangkut bangunan adalah sebagai berikut : •
Membutuhkan investasi yang sangat besar, meliputi investasi uang, waktu pengerjaan, dan juga sumber daya alam
•
Bangunan yang ada di dunia saat ini telah mengkonsumsi 40% dari energi dunia dan melepaskan 1/3 CO2 dunia.
•
Di Amerika bangunan menkonsumsi 1/6 air bersih yang disediakan.
•
Separo dari flourocarbon yang ada dilepaskan dari bangunan yang berdampak pada rusaknya ozone.
•
Sampah yang ada di isi 40 %-nya oleh sampah dari konstruksi bangunan
Khusus data yang ada tentang bangunan di Amerika adalah sebagai berikut : •
Menggunakan listrik sebesar 65.2%
•
Menggunakan energi 50% dari total energi yang terpasang.
•
Melepaskan 30% dari greenhouse gas
•
136 juta ton dari CDW
•
Mengkonsumsi 12% dari air bersih
•
Menggunakan 40% dari bahan-bahan material mentah.
Dari fakta di atas maka terlihat bahwa bangunan bertanggung jawab atas kerusakan lingkungan dan pembangunan yang tidak berkelanjutan (unsustainable). Beberapa indikator dari pembangunan yang tidak berkelanjutan •
Hilangnya lapisan tanah bagian atas.
•
Species hewan ataupun tumbuhan yang semakin langka
•
Terjadinya perubahan cuaca
•
Kenaikan permukaan air laut
•
Munculnya racun-racun baru
Untuk memahami tentang bangunan yang berprinsip pada sustainability, maka perlu dipahami beberapa hal yang penting 1. Definisi dari sustainability “meeting the needs of the current generation without compromising the ability of future generations to meet their needs” Definisi tambahan yang lain: “A process which enables all people to realize their potential and improve their quality of life in ways which protect and enhance the Earth’s life support systems.” (Sara Parkin, Forum for the Future) Gambaran ideal dari bangunan yang berkelanjutan di idealkan seperti halnya keberadaan pohon (gambar 1.1). Pohon yang berdiri akan memberikan pengaruh terhadap lingkungannya sebagai berikut : 1. Meyegarkan air dan udara melalui mekanisme penyerapan air dan fotosintesa. 2. Mampu menahan air hujan. 3. Mampu menghasilkan sendiri makanannya (dari daun yang gugur) 4. Mampu menjadikan tanah subur. 5. Menggunakan dan menyimpan tenaga matahari 6. Menggunakan kembali sampah-sampah yang dihasilkannya 7. Dapat menghidupi dirinya sendiri 8. Mampu menyediakan dan mnyuburkan habitat bagi hewan dan tumbuhan lainnya 9. Mampu memberikan kenyamanan dari cuaca yang ekstreem. 10. Memberikan keheningan dan keindahan.
(Gambar 1.1) Idealisasi bangunan yang sustainable I.2. Isu – isu penting tentang bangunan dan lingkungannya 1. "Sustainable Sites," Isu ini berkaitan dengan situs dimana bangunan itu akan didirikan beberapa hal yang perlu dijawab berkaitan dengan hal ini adalah : •
Apakah keberadaan bangunan tersebut meningkatkan atau merusak kualitas lingkungan yang ada di sekitarnya.
•
Apakah keberadaan bangunan itu memungkinkan pemakai bisa berjalan kaki, bersepeda dan juga angkutan umum sehingga memungkinkan untuk menghemat bbm dan mengurangi polusi
•
Sejauh mana site diganggu oleh konstruksi baru
•
Sejauh mana air tanah bisa dikelola apakah bisa dipertahankan dengan keberadaan bangunan
2. "Water Efficiency", Pertanyaan yan berkaitan dengan efisiensi dalam hal penggunaan air oleh keberadaan bangunan meliputi : •
Penggunaan air hujan atau air abu2 (air buangan limbah manusia yang tidak mengandung sampah berbahaya) untuk irigasi;
•
Pengelolaan air buangan yang inovatif
•
Penggunanan use of peralatan yang mampu mengurangi pemakaian air.
3. Energy & Atmosphere •
Efisiensi dari sistem pemanasan dan pendinginan dari bangunan
•
Penggunaan energi terbarukan di situs bersangkutan
•
Potensi dari bangunan dalam kontribusinya terhadap penipisan ozone.
4. Materials & Resources •
Konsep recycling dari material bangunan dan limbah bahan bangunan
•
Waste management di tempat konstruksi
•
Prosentasi bahan hasil recycle dari bahan bangunan yang digunakan
•
Penggunaan bahan lokal sehingga lebih murah dalam konsumsi energi untuk transportasinya.
•
Cepatnya bahan-bahan bangunan tersedia kembali (terbarukan kembali)
•
Penggunaan kayu dari hutan yang tersertifikasi
5. Indoor Environmental Quality •
Kualitas udara dalam rumah indoor air quality
•
Penghilangan asap rokok dalam rumah
•
Efektifitas ventilasi
•
Kualitas udara ketika masa kontruksi
•
Penggunaan material yg tidak berpotensi mengeluarkan racun
•
Pengontrolan bahan-bahan kimia dalam rumah misalnya cat
•
Kenyamanan termal “thermal comfort”
•
Penggunaan day lighting
I.3. Definisi Fisika Bangunan Definisi tentang fisika bangunan akan memberikan kita batasan tentang cakupan ilmu yang akan dipelajari, berikut salah satu definisi yang bisa kita ambil : •
Building Physics is an applied science that studies the hygrothermal, acoustical and light related properties of building components (roofs, facades, windows, partition walls, etc.), room, building and building assemblies)*
*) Hugo Hens : Building Physics - Heat, Air and Moisture: Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises, Wiley.
Dari definisi tersebut dapat kita ambil beberapa hal yang penting diantaranya : •
Kata “applied” artinya fisika bangunan di tujukan untuk memecahkan masalah,
•
Teori digunakan sebagai alat dan bukan tujuan.
•
Teori yang sudah ada : termodinamika, perpindahan panas, akustika.
Tiga komponen dalam Fisika Bangunan adalah a. Higrothermal, terdiri dari panas, udara dan kelembaban. Berkenaan dengan transfer panas, udara dan kelembaban di dalam bahan bangunan, antara bahan bangunan dan bangunan serta antara bangunan dan lingkungan sekitar, contoh, isolasi termal bangunan, kenyamanan termal, kecepatan angin dst. b.
Akustika bangunan, memperlajari gangguan (noise) di dalam bangunan dan antara bangunan dan lingkungannya, tema-tema utamanya adalah udara dan transmisi suara,noise lewat dinding lantai, atap dan sebagainya. Aplikasi untuk ruang yang kedap suara dsb
c. Pencahayaan, tema-temanya tentang pencahayaan alami dan buatan dalam hubungannya dengan konsumsi energi I.4. Catatan tambahan tentang Fisika Bangunan •
Fisika bangunan berhubungan dengan pemenuhan kebutuhan dalam hal kenyamanan dan kesehatan penghuni, di sisi yang lain mempertimbangkan keterbatasan material, arsitektur, ekologi lingkungan, dan ekonomi.
•
Kenyamanan adalah kondisi kesehatan mental dan fisik. Untuk mencapai hal tersebut tergantung faktor manusia dan lingkungannya. Bisa dilihat bahwa pemenuhan terhadap kenyamanan thermal, acoustic dan visual membutuhkan rekayasa.
•
Sehat tidak selalu berarti ketiadaan penyakit, tetapi juga bersih dari bakteri dan terhindar dari stres psikologis. Untuk itu kondisi bangunan harus bersih dari VCO, radon, bakteri, debu, tengu, jamur dsb.
II. KONSEP KENYAMANAN PADA MANUSIA II.1. Pengantar mengenai kenyamanan pada manusia •
Tubuh manusia sesungguhnya mampu untuk beradaptasi pada lingkungan yang bervariasi dalam cakupan batas cuaca yang cukup luas. Di luar kutub setiap jengkal tanah telah dihuni oleh manusia. Dalam semua wilayah tadi terdapat wilayah yang tipis bagi manusia yang dapat mendorong produktifitasnya, yang disebut ‘comfort zone.’
•
Tempat perlindungan, merupakan alat utama dan pertama dalam mendapatkan kenyamanan atau human comfort.
•
Tempat perlindungan tersebut mampu memodifikasi dan menciptakan kondisi yang memungkinkan manusia untuk hidup.
II.2. Faktor yang mempengaruhi kenyamanan pada manusia Faktor utama yang berperan dalam kenyamanan dan juga yang memberikan kekuatan bertahan pada manusia adalah •
Suhu
•
Radiasi Matahari
•
Kecepatan Angin
•
Kelembaban
•
Curah Hujan
Temperatur memegang peranan terbesar, faktor yang lain berada dibelakangnya.
Gambar II.1. Dua kondisi yang ekstrem yaitu sangat panas dan sangat dingin dan bagaimana tubuh manusia meresponnya Tubuh manusia bereaksi terhadap suhu yang panas atau dingin dengan cara mempertahankan temperatur tubuh secara konstan. Reaksi alamiah kita akan mampu mengakomodasi suhu dengan range tertentu dengan tetap merasa nyaman.
Gambar II.2. Pengaruh fisik lingkungan terhadap tubuh manusia
II.3. Bagaimana tubuh manusia bekerja? Dengan melihat gambar 2. kita bisa mencoba mempelajari bagaimana respon tubuh manusia terhadap lingkungan sekitarnya. 1) Aktivitas akan meningkatkan metabolisme yang memacu temperatur tubuh naik 2) Pakaian berfungsi sebagai isolator, yang memungkinkan tubuh kita menahan panas ke lingkungan. 3) Angin meningkatkan kemampuan evaporasi pada kulit/menghilangkan panas. 4) Suhu udara adalah suhu yang bersentuhan langsung dengan kulit kita, kalau suhunya diatas suhu kulit kita, kita merasa hangat dan sebaliknya. 5) Temperature di permukaan (dinding, lantai dsb) memancarkan panas radiasi ke tubuh kita dan udara sekelilingnya 6) Relative humidity (RH) adalah kandungan air yang ada dalam udara yang memengaruhi apakah keringat yang keluar dari tubuh kita bisa menyebabkan evaporative cooling, ingat : uadara yang sangat kering membuat tubuh manjadi tidak nyaman. 7) Sinar langsung dari matahari memanaskan tubuh secara radiasi meskipun suhu lingkungan tidak berubah
II.4. Kenyamanan Termal Nyaman secara termal akan dirasakan ketika panas tubuh berada dalam kondisi equilibrium dengan lingkungan fisiknya. Tujuh faktor yang disebutkan diatas semuanya berinteraksi mempengaruhi kenyamanan termal dalam berbagai situasi manusia. Definisi kenyamanan termal menurut ASHRAE adalah "Condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment” (ASHRAE 55-74)
Gambar II.3. Grafik zona kenyamanan manusia fungsi dari angin, suhu, RH dan radiasi Grafik ‘COMFORT ZONE’ di atas memberikan gambaran secara kasar tentang zona nyaman manusiadalam kondisi menggunakan pakaian biasa, istirahat dan tidak dalam paparan sinar matahari secara langsung II.5. Fungsi utama bangunan Dalam kaitannya dengan kenyamanan manusia maka fungsi utama bangunan adalah memodifikasi cuaca “modifying climate” sehingga sesuai dengan standar kenyamanan manusia. Bangunan melaksanakan tugasnya dengan dua cara yaitu secara aktif dan pasif. Aktif artinya menggunakan alat-alat dengan masukan energi, dan pasif adalah dengan menyandarkan kepada fenomena fisis yang melingkupinya.
II.6. Klimatologi Salah satu ilmu yang terkait erat dengan fungsi bangunan sebagai pemodifikasi cuaca adalah klimatologi •
Klimatologi adalah ilmu yang berhubungan dengan cuaca. Sangat penting mengerti kondisi cuaca untuk bisa mendisain bangunan yang sesuai yang diinginkan bagi penghuni dan mengetahu pengaruh cuaca terhadap bangunan.
Penggolongan iklim bumi. Secara garis besar, iklim di bumi bisa dibagi menjadi 4 golongan. Penggolongan iklim ini akan mempengaruhi desain dasar manusia dalam membangun rumah yang nyaman secara termal.
Gambar II.4. Peta penggolongan iklim di bumi.
II.7. Karakteristik iklim dan desain dasar bangunan A. IKLIM PANAS LEMBAB •
Sepanjang pesisir Amerika Serikat, Afrika tengah, Eropa selatan, and Asia tenggara
•
Matahari sangat tinggi ketika musim panas
•
Musim dingin sangat panjang dan hangat
•
Musim panas panjang
•
Kelembaban sangat tinggi
Gambar II.5. Disain dasar bangunan untuk iklim panas lembab Strategi bangunan untuk daerah iklim panas lembab •
Pondok terbuka dan menjulang
•
Atap lebar untuk menghindari paparan sinar matahari dan hujan
•
Dinding terbuka dan lantai yang tinggi untuk mendukung evaporasi oleh angin
•
Desain membentang untuk memaksimalkan aliran udara
•
Jendela tinggi dengan desain rumah tipis untuk menciptakan “cross ventilation”
Contoh untuk Indonesia Salah satu bangunan yang mendukung iklim tersebut untuk Indonesia adalah joglo
Gambar II.6. Disain joglo yang merupakan khas Indonesia B. PANAS-KERING •
Meliputi barat daya Amerika Serikat and pedalaman Amerika tengah, Afrika utara, Timur tengah, and Australia tengah
•
Matahari sangat tinggi di waktu musim panas
•
Pada waktu musim dingin matahari muncul sebentar
•
Tidak memunculkan keringat
•
Perbedaan temperatur harian sangat besar
•
Kelembaban sangat rendah
Gambar II.7. Disain dasar bangunan untuk iklim panas kering
Strategi bangunan untuk daerah iklim panas kering •
Biasanya menggunakan model diesert pueblos
•
Desain ventilasi kecil karena udara cukup kering (tidak lembab)
•
Dinding massive untuk menyerap panas ketika siang dan dikembalikan lagi ke lingkungan ketika sore
•
Seminimal mungkin permukaan yang tereskpos matahari (berdampingan erat)
•
Sesedikit mungkin permukaan dalam arah timur dan barat ketika musim panas dan mendapatkan sebanyak mungkin matahari ketika musim dingin dari selatan
•
Bisa digunakan kolam untuk evaporative cooling
Gambar II.8. Model Pueblos khas Meksiko
C. IKLIM SEDANG •
Meliputi daerah pertengahan garis lintang Amerika Serikat, sebagian besar Eropa, Rusia selatan, and China bagian utara
•
Mengalami empat musim: cold winter, hot/humid summer, intermediate spring dan fall
•
Panjang siang yang cukup
•
Ketinggian matahari lebih bervariasi daripada di iklim yang panas
•
Biasanya muncul salju di musim dingin
Strategi bangunan untuk daerah iklim sedang
Sebagai contoh bangunan asli Amerika adalah wigwams
Desain dasarnya biasanya untuk melindungi angin dingin (winter) dari utara
Terbuka terhadap matahari dari selatan di waktu musim dingin.
Tertutup dengan shading di sebelah timur dan barat di waktu musim panas.
Membuka terhadap matahari di musim dingin dan terbuka untuk udara di waktu musim panas.
Gambar II.9. Disain dasar bangunan untuk iklim sedang
Gambar II.10. Bangunan model wigwam
D. IKLIM DINGIN •
Daerah di atas 45 °LU, bagian utara USA dan Kanada, Utara Eropa dan Rusia, wilayah dekat kutub
•
Musim panas yang dingin
•
Siang hari di musim dingin yan sangat pendek, matahari juga sangat pendek
•
Muncul salju yang sangat tebal
Strategi bangunan untuk daerah iklim dingin
Contoh yang umum adalah bangunan igloos dan timber huts
Proteksi terhadap angin dari utara dan memaksimalkan sinar matahari musim dingin dari arah selatan
Memproteksi terhadap salju tebal
Seminimal mungkin permukaan untuk memproteksi terhadap dingin
Bersambungan untuk meminimalisir permukaan dan menahan panas
Mempunyai luas dan jumlah bukaan seminimal mungkin
Gambar II.11. Disain dasar bangunan di iklim dingin
Gambar II.12. Timber hut dan igloo sebagai bangunan khas daerah iklim dingin
III. KESETIMBANGAN PANAS MANUSIA DAN LINGKUNGAN III.1 Persamaan Kesetimbangan Panas Pada Tubuh Manusia Tubuh manusia dijaga sedemikian rupa dalam rentang suhu sekitar 37°C. Oleh karena itu ada kesetimbangan panas antara tubuh manusia dan lingkungannya. Secara singkat, panas yang masuk ke dalam tubuh ditambah dengan panas yang dibangkitkan oleh tubuh harus sama dengan panas yang keluar dari tubuh manusia. Jika panas yang dibangkitkan dan yang masuk lebih besar daripada panas yang dikeluarkan maka panas tubuh akan naik, demikian juga sebaliknya jika panas yang dikeluarkan lebih besar maka suhu tubuh akan turun. Persamaan kesetimbangan panas pada manusia dapat direpresentasikan dalam berbagai macam model. Secara umum kesetimbangan panas pada manusia meliputi tiga hal pokok yaitu : Panas yang dibangkitkan oleh tubuh, transfer panas keluar dan masuk dan panas yang disimpan dalam tubuh. Energi yang dibangkitkan dalam tubuh manusia menghasilkan tenaga dan panas yang dipancarkan ke sekeliling dengan cara radiasi, konveksi dan evaporasi air. Sejumlah kecil energi tetap tersimpan dalam tubuh yang akan menjaga tubuh tetap hangat, atau dalam temperature normal. Persamaan kesetimbangan panas pada manusia dirumuskan dalam persamaan berikut ini : Pmet = Pr + Pc + Pe + P + P
(3.1)
Dimana : Pmet = metabolisme tubuh, tergantung pada keadaan sekitar, aktivitas, umur jenis kelamin dan kondisi kesehatan. Pr
= panas yang keluar dari kulit secara radiasi
Pc
= panas yang keluar dari kulit secara konveksi
Pe
= panas yang keluar dari kulit secara penguapan air
P
= kerja yang dilakukan
P
= pemanasan tubuh (body heating)
P = m cp / Dimana
m = massa tubuh (kg) cp
= panas spesifik dari tubuh yang mempunyai rata-rata 3300 W/kg
(3.2)
= kenaikan suhu dalam t Ad = luas permukaan tubuh manusia Pmet dapat dihitung dengan menggunakan ukuran pemakaian O2 dalam liter per detik. Pmet = 5,8 VO2 (W)
(3.3)
Jumlah Pr , Pc dan Pe tergantung pada temperatur lingkungan. Panas yang dibangkitkan tubuh tergantung pada aktivitas yang dilakukan.
Gambar III.1. Pr , Pc dan Pe dalam hubunganya dengan suhu lingkungan dan aktivitas Untuk keadaan orang yang sedang duduk dengan suhu sekitar 18°C dengan asumsi tidak ada panas yang lepas melalui konduksi maka proporsi masing-masing sekitar : 45% radiasi 30% konveksi 25% evaporasi Dengan naiknya aktivitas fisik maka metabolisme akan naik dengan sangat cepat. Kenaikan metabolisme bisa sampai 4-10 kali dari kerja yang dilakukan. Oleh karena itu efisiensi sekitar 10-25%. Jika suhu tubuh konstan, panas karena kenaikan metabolisme tubuh tentu harus dikeluarkan oleh tubuh. Hal ini dilakukan dengan cara menaikan
sirkulasi peredaran darah di sekitar kulit. Suhu kulit akan naik dan tentunya panas yang dikeluarkan melaui radiasi dan konveksi juga akan naik bisa dilihat persamaan 3.1. Perubahan suhu tubuh lebih dari 1°C tidak sehat, untuk kondisi suhu tubuh tetap maka
P = 0 III.2. Luas permukaan tubuh manusia Luas permukaan tubuh manusia bisa dihitung denganm enggunakan persamaan Dubois (Dubois and Dubois, 1916) yaitu : AD 0.202 xW 0, 425 xH 0.725
(3.3)
Dimana AD = luas permukaan Dubois W
= berat badan (kg)
H
= tinggi badan (m)
Ukuran standar sebesar 1.8m2 biasanya digunakan untuk ukuran manusia dengan tinggi 173m dan berat 70 kg. III.3. Regulasi Termal Tubuh Perubahan dari temperatur lingkungan menyebabkan perubahan jumlah panas yang dikeluarkan oleh tubuh manusia. Bisa dilihat pada gambar berikut ini.
Gambar III.2. Perubahan dari panas yang dikeluarkan oleh tubuh fungsi dari suhu lingkungan.
Kondisi ini cukup untuk membuat suhu tubuh manusia terjaga konstan. Untuk orang dalam kondisi nyaman termal perubahan ini tentu membutuhkan adanya upaya tubuh untuk menciptakannya. Berikut adalah mekanisme tubuh dalam menjaga kesetimbangan tersebut. Kondisi lingkungan yang dingin Dari penelitian telah diketahui bahwa total panas yang dikeluarkan tubuh hampir tidak tergantung pada lingkungan di dalam ranah lingkungan tertentu. Alasannya adalah, temperatur kulit juga turun dengan turunnya suhu lingkungan. Sehingga menimbulkan turunnya panas yang dipancarkan lewat radiasi dan konveksi. Pada bagian tertentu dari tubuh perubahan temperature sangat kecil, tetapi untuk bagian tubuh yang lain perubahan cukup besar khususnya tangan dan kaki. Dengan turunnya suhu lingkungan, suhu pemukaan kulit menurun juga dengan cara vasocontriction, yaitu konstraksi dari bejana darah di dekat permukaan kulit. Pada bagian terluar kulit tubuh terletak lemak, lemak mempunyai konduktivitas termal rendah, Sedangkan darah mempunyai konduktivitas tinggi seperti halnya air. Maka ketika aliran darah melemah, maka aliran panas dari pusat ke kulit juga melemah dan mengakibatkan aliran panas juga mengecil. Menurunnya temperatur lingkungan menyebabkan naiknya Pr dan Pc menurut persamaan 3.1. Dari persamaan tersebut kita juga mendapatkan sebuah informasi bahwa penurunan temperatur tersebut dicounter dengan naiknya metabolisme. Seperti halnya perubahan suhu lingkungan, perubahan suhu didalam tubuh juga bisa mengubah suhu permukaan kulit. Jika panas yang dibangkitkan tidak bisa menjaga suhu kulit yaitu sekitar 26-27°C di batang tubuh, maka tubuh menjadi menggigil dan metabolisme tubuh meningkat. Kenaikan bisa sampai 3 kali dibandingkan dengan yang terjadi di zona nyaman. Untuk waktu yang pendek kenaikan bisa sampai 10 kali. Untuk kasus orang telanjang, menggigil dimulai ketika temperatur luar sekitar 15°C. Suhu lingkungan yang hangat Jika suhu lingkungan naik, maka suhu kulit harus juga naik untuk bisa melepaskan panas ke lingkungan. Ini terjadi dengan naiknya sirkulasi darah di sekitar kulit untuk meningkatkan vasodilation. Darah yang beisi 90% air dengan panas spesifik yang tinggi (4200 Ws/kg) dapat mengangkut panas dengan baik tanpa adanya perubahan temperatur
yang mencolok. Peningkatan sirkulasi darah di kulit otomatis meningkatkan aliran panas dari pusat tubuh ke kulit. Variasi dari aliran darat yang mengatur temperatur kulit mempengaruhi perubahan di organ bagian dalam. Misalnya dalam kasus bekerja keras, otomatis aliran darah ke ginjal juga naik, hal ini juga akan menaikkan aktivitas hati. Kondisi tersebut menyebabkan metabolisme naik dan panas harus dikeluarkan untuk menjaga tubuh dalam kondisi suhu konstan. Kondisi vasocontrauction maximum mengurangi aliran darah sampai dengan 2.7. 103 kg/m2s. Kondisi maximum vasodilation kira-kira 37.103 kg/m2s. Jadi variasi aliran dalam darah kira-kira 1 sampai dengan 15 kali. Kondisi nyaman termal Dalam range suhu sekitar 16 sampai dengan 22°C suhu panas tubuh dijaga konstan dengan variasi sirkulasi aliran darah yang melewati kulit. Dalam range ini disebut dengan zona nyaman / comfort.
Gambar III.3. Batas atas dan bawah zona nyaman, u dan l yang ditentukan oleh kenaikan metabolisme di l dan berkeringat di u . Untuk pakaian yang ringan l = 1416°C dan u =20-22°C Jika temperature turun dibawah 16°C, mekanisme ini tidak bisa lagi menjaga supaya panas tubuh terbuang lewat kulit lebih banyak. Regulasi selanjutnya dialihkan dengan kenaikan metabolisme tubuh. Berkeringat
Ketika kesetimbangan termal tidak lagi bisa di jaga dengan vasolidasi, maka keringat mulai muncul. Kondisi ini biasanya mulai muncul di atas suhu 28°C untuk tubuh yang telanjang dan sekitar 24°C untuk tubuh dengan menggunakan pakaian ringan (tabel di bawah ini).
Gambar III.4. Tabel perbandingan panas yang keluar dan keringat dalam beberapa rentang suhu lingkungan Meskipun dalam zona comfort, sekitar 10% dari area kulit lembab dan ini bertanggung jawab terhadap kehilangan panas dari kulit. Bersama-sama dengan kehilangan panas dari pernafasan dan karena keringat emosi kehilangan panas ini merupakan ”insensible water loss”. Ketika keringat mulai muncul di atas suhu kenyamanan, ini masuk dalam kategori ”sensible water loss”. Tolong jangan kacaukan pengertian ini dengan sensibel dan laten heat. Mekanisme keringat adalah sangat penting dalam lingkungan panas seperti di industri. Besarnya Pr dan Pc tergantung pada kulit dan temperatur lingkungan. Sementara Pmet tergantung pada kerja yang dilakukan P dan efisiensi atas kerja yang akan menyisakan P. Perbedaan antara metabolisme Pmet dan beberapa panas yang dikeluarkan akan diselesaikan dengan keringat. Pe = Pmet Pr Pc P P
(3.4)
Panas hanya bisa disimpan dalam tubuh selama periode sesaat, dalam jangka panjang
P=0. Hubungan antara panas yang hilang dengan keringat dan emisi kelembaban M (kg/s) adalah sebagai berikut :
Pe = M l
(3.5)
= effisiensi, yang didefinisikan di atas l = panas laten penguapan, 2480 kW/kg Untuk mendapatkan efisiensi bisa dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
(3.5) Berkeringat hanya akan terjadi pada kondisi panas lingkungan yang tinggi atau ketika metabolisme tubuh lebih tinggi daripada (Pr + Pc + P). Maka dengan kerja yang sangat keras, berkeringat bisa terjadi pada suhu lingkungan yang rendah. Kulit kemudian tidak lagi terasa kering (terjadi ketika emisi dari kelembaban kurang dari 10 g/h). Ketika keringat naik, atau ketika kapasitas dari udara untuk mengangkat kelembaban dari permukaan kulit menurun, maka kulit kita akan terasa lembab, meskipun di sekeliling tidak terdapat kelembaban yang cukup. Rasa ketidaknyamanan muncul ketika Pe naik, kalembaban tidak lagi mudah untuk diuapkan. Panas yang disebabkan oleh evaporasi tergantung pada ambient temperatur dan relatif humidity dari udara. Emisi dari air akan meningkat dengan meningkatnya temperatur udara (Gambar III.5).
Gambar III.5. Evaporasi sebagai fungsi dari suhu dan kelembaban relatif Jika ambient temperature sudah tinggi, maka metabolisme bisa menjadi tinggi sampai dengan P > 0. Panas tubuh kemudian menjadi naik dan terjadilah hiphotermia. Pada sekitar panas tubuh 40°C stroke terjadi. Pada suhu 41°C keringat berhenti dan orang akan mengalami koma. Pada suhu 42°C terjadi kerusakan otak permanen dan meninggal. Kehilangan cairan Keringat bisa menghasilkan kekurangan cairan yang cukup besar (lihat contoh soal). Jika kehilangan cairan sekitar 5% dari cairan tubuh, maka fungsi tubuh akan terganggu. Kehilangan 10 % akan mengurangi volume darah dan sangat berbahaya. Sebagai tambahan, berkeringat juga berarti kehilangan garam, meskipun ini tidak terlalu serius dalam jangka pendek. Air yang keluar dari urine juga menurun. Air yang hilang dalam kondisi kerja sangat keras bisa mencapai 1 kg/jam. Yang itu hanya akan bertahan selama 2 jam. Pada kondisi lingkungan yang sangat panas kehilangan cairan bisa mencapai 2,5 kg/h yang biasanya manusia hanya bisa bertahan sekitar 30 menit saja. Panas dan kerja berat akan menghasilkan kehausan, yang mendorong orang untuk minum. Meskipun demikian seringkali respon natural ini tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan air dalam tubuh manusia. Nilai maximum dari Pe,max didapatkan pada kondisi kerja yang berat dan nilai Pmet yang tinggi. Pada kondisi kerja yang lebih ringan, uap air akan lebih sedikit keluar. Hubungan antara emisi uap air dan metabolisme dapat ditulis sebagai berikut : Pe = Pe,max (const/ Pmet) Contoh-contoh soal
(3.6)
1. Seseorang dengan berat 75 kg dalam kondisi istirahat dan memakai pakaian secara rapat. Seberapa cepat suhu tubuh naik ? Jawab : Pembangkitan panas sebesar 80W (metabolisme basal), persamaan (3.2.)
P = m cp / 80 = 75 . 3300 / , dimana adalah kenaikan dalam °C, maka / = 0.00032°C/s, atau 1,2°C/h. 2. Seorang yang melakukan kerja fisik mengeluarkan panas sebesar 100W. Dia mempunyai luasan tubuh 1.8 m2. Kerja yang dilakukan di ruangan yang bersuhu 26°C dan RH 50%. Kecepatan udara 0.3 m/s. Hitunglah produksi keringat yang dihasilkan. Jawab : Dari gambar III.1, temperature kulit sekitar 33°C, jika hr dan hc masing-masing adalah W/m2K, maka panas yang dilepaskan adalah Pc/A = Pr/A = 6 (3326) = 42W/m2 P/A = 100/1.8 = 55W/m2. Perbedaan harus dilakukan untuk membedakan antara A untuk radiasi dan A untuk konveksi. Jika efisiensi adalah 25%, metabolisme adalah : 55/0.25 = 220W/m2. Basal metabolisme sekitar 50W/m2, jadi totalnya 270 W/m2. Jika suhu tubuh konstan maka P = 0 Pe = 270 42 42 55 0 = 131 W/m2. Dari tabel 5, saturated vapour pressure untuk kulit bersuhu 33°C adalah 5000 Pa, dan vapour pressure untuk ruangan adalah 3354 untuk RH 50%. Maksimum untuk nilai Pe adalah :
Pe max = 0.1 v 0.3 ( 5.103 1.7 103)
Untuk v = 0.3 m/s dan Pe, max 230W/m2 Pe/Pe, max = 131/230 = 0.57 Dari persamaan 3.5.
= 1.33 0.74 0,57 = 0.74 maka Pe = M l = 131/(2480 . 077) = 0.07 g/(sm2) atau 444 g/h. 3. Metabolisme tubuh seseorang dikarenakan kerja tertentu sebesar 300 W. Panas yang dikeluarkan melalui radiasi dan konveksi sebesar 240W. Berapa efisiensi panas yang terjadi ketika keringat muncul dan berapa besar besarnya keringat? Kecepatan udara sebesar 0.3 m/s. Suhu udara sebesar 20°C dan suhu permukaan kulit sebesar 30°C.
Partial pressure di permukaan kulit 4200 N/m2 dan di suhu lingkungan sebesar 2300 N/m2. Pe,max = 0,2. 0,30,3 (4200 2300) = 265 W/m2 Hanya 300 240 = 60 W yang perlu dibuang oleh tubuh, untuk luasan tubuh seluas 1.8m2, rasio Pe / Pe,max adalah : 60/(265 x 1.8) = 0.13, hal ini memberikan = 1, kemudian ((300 -240)/2480) x 1 = 0.024 g/s
IV. TRANSFER PANAS DI BANGUNAN IV.1. Perlunya Kulit Bangunan (Enclosure) •
Salah satu ciri khas dari bangunan adalah dia mempunya pembatas (kulit) yang membatasi dirinya dengan lingkungan.
•
Fungsi dari kulit hampir sama dengan fungsi bangunan, diantaranya adalah mengatur panas, udara, uap, air hujan, suara, api serangga, dan juga akses
•
Bisa diringkas bahwa fungsi dari kulit adalah mengontrol aliran massa dan energi
•
Mengatur microclimate
IV.2. Sekilas tentang aliran panas •
Panas adalah bentuk energi, seperti cahaya dan bunyi
•
Temperature adalah ukuran besarnya panas.
•
Panas mengalir dari tinggi ke rendah
•
Besarnya aliran (flow rate) tergantung pada : Perbedaan temperature, tipe material dan model dari aliran
•
Tipe aliran panas ada beberapa macam yaitu steady state vs dinamik atau satu, dua, atau tiga dimensi
•
Model aliran ada konduksi, konveksi dan radiasi
Proses transfer panas yang ada di bangunan seperti yang terlihat di gambar IV.1. meliputi a.
Transfer panas konduksi dalam bahan-bahan material melewati dinding, atap dan lantai.
b.
Radiasi sinar matahari melewati kaca jendela
c.
Infiltrasi dari udara luar dan antar kamar di dalam rumah
d.
Pelepasan panas dan air dari penerangan, alat masak dan penghuni dalam rumah
e.
Pemanasan, pendinginan dan dehumidifikasi oleh HVAC dalam rumah.
Gambar.IV.1 proses transfer panas di dalam bangunan (Modeling method for energy building) IV.3. Transfer panas pada bagian bangunan yang tidak tembus cahaya Transfer panas yang terjadi pada bagian yang tidak tembus cahaya seperti dalam gambar IV.2. adalah sebagai berikut :
Dalam ruangan terjadi transfer secara konveksi dan radiasi antara dinding bagian dalam dan ruangan
Di dalam material, terjadi transfer konduksi dalam bagian yang padat dan kombinasi antara radiasi, konduksi dan konveksi dalam bagian yang berisi udara.
Sisi dalam material yang berisi udara juga merupakan gabungan antara radiasi, konveksi dan konduksi.
Disisi luar dinding terjadi proses radiasi dan konveksi.
Transfer panas konduksi
•
Aliran panas karena kontak langsung
•
Molekul yang bervibrasi
•
Dominan pada benda padat
•
Konduktansi adalah sifat bawaan dari bahan, mencerminkan seberapa mudah panas dapat melalui bahan yang bersangkutan.
•
Sebaliknya R-value adalah mencerminkan seberapa bagus lapisan tsb dapat menahan panas
Untuk kebanyakan kasus, perbedaan temperature konstan digunakan untuk mengukur perpindahan panas secara linear. Panas yang melewati material bangunan yang homogen dirumuskan dengan :
(4.1.) Dimana T1 dan T2 adalah temperature di dua sisi bangunan, d adalah ketebalan bahan dan adalah konduktivitas termal bahan. Perhitungan heat transfer di dalam dan di luar dinding biasanya dilakukan dengan rumus sederhana berikut :
(4.2.) Dimana Ri dan Re adalah internal dan ekternal tahanan permukaan (kombinasi dari efek transfer panas radiasi dan konveksi), Trs adalah temperatur udara kering di dalam dinding (kurang lebih merupakan rata-rata dari temperatur radiasi dan temperatur udara), dan Te adalah temperatur udara luar. Sebagai standar perhitungan tahanan permukaan dianggap tetap (fixed value), Re = 0.04 m2K/W dan Ri = 0.13 atau 0.16 m2K/W (tergantung pada situasi). Penggunaan nilai yang tetap ini jelas merupakan penyederhaan dari fenomena fisik yang riil. Tabel di bawah ini memberikan gambaran lebih rinci tentang nilai dari konduktivitas termal bangunan. Thermal conductivity () dan tentunya juga tahanan bervariasi tergantung pada : •
Tipe material
•
Densitas dan rongga
•
Konten air/kelembaban
•
Kombinasi udara dan material
Beberapa nilai dari bahan bangunan di Indonesia sbb: Tabel 4.1.Konduktifitas termal bahan bangunan di Indonesia Nama Bahan Beton Bata Kaca Kayu Fiberglass EPS
Nilai Konduktivitas Kalor 1250 1150 1050 1250 1150 1050
Parameter yang juga penting dalam bangunan adalah kapasitas termal. Hal ini mengindikasikan kemampuan material dalam menyimpan panas. Nilai ini diberikan dalam c (J/kgK) dan juga (kg/m3). Dalam hubungannya dengan spesifik kapasitansi maka nilai yang paling umum dari material bangunan adalah antara 1000 sampai dengan 2000 J/kgK.
Gambar IV.2. Proses transfer panas di dinding bangunan
Gambar IV.3. Variasi dari konduktifitas termal polyurethane sebagai fungsi suhu Tabel 4.2.Parameter termal bahan-bahan bangunan (Sumber Building Heat Transfer, 2003)
Konduktivitas termal tidaklah merupakan nilai yang tetap, tetapi berubah-ubah berdasarkan suhu. Gambar IV.3 memberikan gambaran perubahan nilai terhadap berubahnya suhu. Perlu juga dicatat bahwa banyak industri konstruksi sangat memperhatikan nilai dibandingkan dengan densitas panas ataupun panas spesifik. Oleh karena itu sangat banyak prosedur yang muncul dalam rangka menghitung nilai spesifik dari lamda ini. Nilai dari bahan material bangunan harus bisa ditentukan dengan akurasi yang besar, misalnya nilai 0.030 harus bisa diukur ketimbang nilai 0.025W/mK. Pentingnya perhitungan nilai U dan tahanan termal Pentingnya penentuan nilai ini dalam aplikasi praktisnya adalah sebagai berikut :
Untuk perhitungan tingkat isolasi termal bangunan dan perhitungan kebutuhan energi (banyak negara telah menetapkan standar nilai untuk parameter di atas)
Perhitungan dan prediksi kenyamanan termal di waktu musim dingin dan panas.
Perhitungan resiko kondensasi dan pertumbuhan jamur.
Hal yang paling dominan adalah memang perhitungan nomer 1. Perhitungan total nilai dilakukan dengan rumus seperti berikut :
(4.3.) Dimana
RT Ri dan Re (d/) Rj
= tahanan termal total = internal dan external tahanan permukaan = jumlah dari semua tahanan masing-masing komponen = jumlah dari tahanan udara dan lainnya yang tidak homogen
Contoh perhitungan nilai U Dinding bangunan tersebut merupakan seri dari beberapa bahan sebagai berikut : Aluminium
R = 0.11 m2 °K/W
200 mm concrete ringan
R = 0.35 m2 °K/W
90 mm fiberglass
R = 2.29 m2 °K/W
12.7mm gypsum
R = 0.08 m2 °K/W
•
Juga perlu diperhatikan adanya lapisan tipis udara di dalam dan di luar ruangan.
•
Asumsikan di luar udara bergerak dengan kecepatan 12 km/hr di waktu summer R= 0.044 dan di bagian dalam R=0.12
U
1 Routdoor airfilm Rsiding Rconcrete Rinsulation Rgypsum Rindoor airfilm
1 1 2 U 0.04 0.11 0.35 2.29 0.08 0.12 2.99 0.33W / m . K
Penggunaan U sangat penting dan dominan pada perhitungan steady state, ketika perhitungan lebih detil dibutuhkan, yatu pada perhitungan dinamis, maka parameter dan c sangat dibutuhkan. Apakah dengan demikian, dibutuhkan perhitungan sangat detil terhadap dua parameter ini, ternyata tidak begitu mendesak dengan dua alasan. 1. Densitas material building pada kebanyakan kasus sudah banyak diketahui dengan baik dan pasti, dalam kasus yang benar-benar membutuhkan pengukuran, pengukuran juga tidak terlalu sulit.
2. Spesifik panas pada bahan bangunan tidak terlalu banyak variasi nilainya. Secara praktis, nilai-nilai yang ada dalam banyak tabel dan standar sudah mencukupi, dan keadaan yang lain tidak banyak mengubah nilai itu. IV.4. Trasfer panas melalui kaca
Transfer panas yang terjadi di jendela yang tembus cahaya meliputi : 1. Refleksi, absorpsi dan transmisi dari direct atau diffuse radiasi sinar matahari 2. Konduksi dan konveksi sinar matahari yang masuk ke ruang dalam 3. Konduksi dan konveksi yang terjadi kerena perbedaan temperatur di dalam dan di luar. Karena kaca yang digunakan dalam bangunan biasanya tipis, dan konduktivitas termal dari kaca biasanya sangat tinggi bila dibandingkan dengan bahan yang lain, maka tahanan termal dari kaca biasanya di abaikan untuk menyederhanakan perhitungan. Persamaan menghitung untuk radiasi sinar matahari yang masuk melalui kaca adalah sebagai berikut :
Q = A x SC x SCL Q
= radiasi panas yang masuk ke dalam ruangan
A
= total luas kaca m2
SC
= shading koefisien (tidak berdimensi)
SCL
= solar cooling load factor W/m2
(4.4.)
Hal-hal yang berkenaan dengan nilai SC dan SCL akan dibahas lengkap pada bagian perhitungan beban pendinginan. VI.5. Contoh sederhana perhitungan heat transfer di bangunan dua dimensi 1. Hitunglah suhu di dalam ruangan Jika suhu di luar 35°C dan suhu tanah 15°C
Transmisi panas dari luar ke dalam ruang adalah : Qo-i = Li1 (to ti) + Li2 (to ti) + Li3 (to ti) = 0.8 x l x 3.0 (35 ti ) + 0.8 x l x 4.0 (35 ti ) + 2.5 x l x 3.0 (35 ti ) = 13.1 l (35 ti ) .........................(1) Transmisi panas dari ruang ke dalam tanah Qi-tn = Li-tn (ti ttn) = 0.7 x l x 4 (ti 15) = 2.8 l ti 42 l ...........................(2) Dengan prinsip kesetimbangan panas : Maka (1) = (2) 13.1 l (35 ti ) = 2.8 l ti 42 l 500,5 = 15.9 ti ti = 32.48 °C
2. Dengan mengasumsikan prinsip perpindahan panas yang tetap seimbang (steady state), hitunglah suhu ruangan untuk teras (sun space) dan basement. Diketahui : • Suhu diluar = 300 C • Suhu ruang dalam (interior) = 220 C • Suhu efektif tanah = 150 C
Asumsikan = panjang bangunan Sun-space (teras) Transmisi panas dari ruang interior ke sun-space Q i – sp = L i – sp (ti – tsp) = 3.00 x x 3.0 (22 – tsp) =9(22 – tsp) = 198– 9tsp --------------------------(1) Transmisi panas dari basement ke sun-space Q bsment – sp = L bsment – sp (t bsment – tsp) = 2.00 x x 0.7 (tbsment – tsp) = 1.4(t bsment – tsp) = 1.4t bsment – 1.4tsp ---------------------- (2)
Transmisi panas dari sun-space ke udara luar Q sp – o = L sp – o1 (tsp – 30) + L sp – o2 (tsp – 30) = 3.00 x x 2.5 (tsp – 30) + 2.00× ×0.3 (tsp – 30) =7.5( tsp – 30) + 0.6 ( tsp – 30) =8.1tsp – 243 --------------------------(3) (1) + (2) = (3) 198 – 9 tsp + 1.4t bsment – 1.4tsp = 8.1tsp – 243 441 – 18.5tsp + 1.4t bsment = 0 ------------------------(4) Basement Transmisi panas dari indoor ke basement Q i – bsment = L i – bsment (ti – t bsment) = 5.000.7 (22 – t ××bsment) = 3.5(22 – t bsment) = 77– 3.5t bsment ---------------------------(5) Transmisi panas dari sun-space ke basement Q sp – bsment = L sp – bsment (tsp – t bsment) = 2.00 × × 0.7 (tspt – t bsment) = 1.4(tsp – t bsment) = 1.4tspt – 1.4t bsment ------------------------(6)
Transmisi panas dari basement ke tanah Q bsment – tn = L bsment – tn1 (t bsment – ttn) + L bsment – tn2 (t bsment – ttn) = (3.00 +3.00)× × 0.5 (t bsment – 15) + 7.00 × × 0.7 (tbsment – 15) = 3 (t bsment – 15) + 4.9 (t bsment – 15) = 7.9t bsment – 118.5 ------------------------(7) Persamaan (5) + (6) = (7) 77– 3.5t bsment + 1.4 tsp – 1.4t bsment = 7.9 t bsment – 118.5
195.5 + 1.4tsp – 12.8t bsment = 0 ----------------------- (8) (4) ÷ 441 – 18.5 tsp + 1.4 t bsment = 0 ------------------(9) (8) ÷ 195.5 + 1.4 tsp – 12.8 t bsment = 0 ----------------(10) t bsment = (18.5 tsp 441) / 1.4 -------------------- (11) Dari persamaan (9) masukkan persamaan (11) ke (10)
273.7 + 1.96 tsp – 236.8 tsp + 5,644.8 = 0 234.84 tsp = 5,918.5 tsp = 25.2°C Jadi suhu di teras = 25.2°C
Jadi suhu di basement = 18°C
V. VENTILASI V.1. Beberapa definisi berkaitan dengan ventilasi. Beberapa definisi tentang ventilasi yang penting untuk diketahui terlebih dahulu diantaranya adalah •
Ventilasi adalah proses dimana udara bersih dimasukkan ke dalam ruangan untuk mengganti udara kotor.
•
Tujuan utamanya adalah untuk menjamin ketersediaan udara segar, juga untuk menurunkan suhu di ruangan.
•
Ventilasi alami adalah proses penyediaan dan penggantian udara dengan proses alami, yaitu dengan mengandalkan misalnya jendela, ventilator. Proses ini bergantung sepenuhnya pada perbedaan temperatur atau perbedaan tekanan.
•
Ventilasi alami yang dikontrol adalah pergantian udara melalui bukaan yang spesifik misalnya jendela, pintu dan saluran ventilasi dengan mengunakan energi alami, yaitu perbedaan tekanan atau perbedaan suhu. Hal ini biasanya bisa dikendalikan dalam taraf tertentu oleh penghuni
•
Infiltrasi adalah aliran udara yang tidak bisa dikontrol yang melewati lubang/saluran lain atau bocoran yang juga terjadi karena angin, perbedaan tekanan dan temperature. Berbeda dengan ventilasi, infiltrasi tidak bisa dikendalikan dan kurang diinginkan oleh penghuni, tetapi meskipun demikian infiltrasi biasanya adalah sumber ventilasi utama di sebuah rumah.
•
Ventilasi mekanis atau forced ventilation adalah proses pergantian udara dengan menggunakan
mesin,
misalnya
fan.
Biasanya
digunakan
untuk
untuk
mensuplai/mengeluarkan udara atau membuat seimbang antara masukan dan keluaran. Ada beberapa kasus dimana ventilasi jenis ini sangat vital, misalnya di industri, pertambangan, tunnel-tunel bawah tanah dan sebagainya. V.2. Tujuan ventilasi Menjaga kenyamanan dan kesehatan adalah dua kunci dari ventilasi dalam bangunan, untuk mencapai hal tersebut maka sistem ventilasi harus memenuhi beberapa kriteria: •
Mampu memenuhi udara / oksigen sesuai dengan kebutuhan tubuh manusia (minimum 0.2 l/s/orang untuk bernafas);
•
Mampu memenuhi oksigen untuk kebutuhan indutri, pertanian dan sebagainya misalnya di ruang pembakaran dan ruang mesin.
•
Mampu mengeluarkan hasil respirasi (Co2, uap air dsb) dan juga bau dari tubuh manusia atau hewan, termasuk mampu menghilanglan asap rokok.
•
Mampu mengeluarkan zat-zat kimia berbahaya yang keluar dari material bangunan;
•
Mampu mengeluarkan panas yang dibangkitkan oleh manusia, penerangan dan beberapa alat keperluan rumah;
•
Mampu menciptakan sensasi angin sehingga tercipta keadaan segar dan nyaman (biasanya dengan kecepatan 0.1 sd 0.3 m/s).
V.3. Dasar-dasar ventilasi alami Agar udara bisa masuk ke dalam rumah dan keluar lagi maka dibutuhkan perbedaan tekanan antara di dalam dan di luar rumah. Tahanan akan mempengaruhi besarnya debit aliran udara. Secara umum ventilasi dan infiltrasi di sebabkan karena perbedaan tekanan yang terjadi diantara sekat-sekat bangunan. Perbedaan tekanan disebabkan karena: •
Angin (atau wind effect);
•
Perbedaan densitas udara karena perbedaan temperature (stack or chimney effect); atau
•
Kombinasi antara angin dan stack effect.
Wind Effect Ketika udara mengalir karena angin, udara memasuki bukaan di bagian angin datang (windward) dan akan keluar melalui bukaan di arah angin pergi air (leeward). Distribusi tekanan disebabkan karena angin dapat dilihat di gambar berikut.
Gambar V.1. Distribusi tekanan karena angin Tekanan angin biasanya positif di sisi windward dan negatif di sisi leeward. Kemunculan dan berubahnya angin biasanya tergantung pada : •
Kecepatan angin dan arah angin relatif terhadap bangunan;
•
Lokasi dan lingkungan sekitar dari bangunan;
•
Model/bentuk bangunan.
Secara matematis tekanan pada permukaan bangunan dapat di tuliskan sebagai berikut : Pw - Po =Cp ½ vw 2
(5.1.)
dimana Pw = tekanan rata-rata pada permukaan bangunan (N/m2 or Pa) Po = tekanan statis pada angin (N/m2 or Pa) vw = rata-rata kecepatan angin (m/s) = densitas udara (kg/m3) Cp = Koefisien tekanan permukaan Stack Effect Ketika terjadi pergerakan udara karena perbedaan temperatur antara luar dan dalam maka arah aliran udara akan vertikal melewati hambatan yang terkecil. Perbedaan temperatur menyebabkan perbedaan densitas udara dan akhirnya menjadikan perbedaan tekanan. Hal ini akan mendorong udara mengalir. Biasanya di musim dingin sering terjadi stack effect dikarenakan temperatur ruangan lebih tinggi dari luar, dan akhirnya udara hangat tapi naik ke atas sehingga udara luar bisa masuk melalui bagian bawah bangunan. Ketika tekanan termal berdiri sendiri, maka muncul neutral pressure level (NPL), dimana tekanan antara dalam dan luar ruangan sama. Pada semua level, perbedaan tekanan antara luar dan dalam ruangan tergantung pada jarak dari NPL dan perbedaan densitas udara dalam dan luar ruangan. (5.2.)
Dimana Ps = perbedaan tekanan karena stack effect (N/m2 or Pa) = densitas udara (kg/m3) g = gravitational constant = 9.81 m/s2 h = height of observation (m) hneutral = height of neutral pressure level (m) T = absolute temperature (K) (subscripts i = inside and o = outside)
V.4.Desain dasar Ventilasi Alami Untuk mendisain ventilasi alami dibutuhkan pengetahuan tentang kecenderungan arah aliran angin, strategi dan arah bukaan masuk dan keluar yaitu meliputi jendela, pintu, ventilator, skylights, vent shafts, dan lainnya Tingkat ventilasi (Ventilation rates) Ketika
mendisain
sistem
ventilasi,
tingkat
ventilasi
dibutuhkan
untuk
untukmenentukan besarnya ukuran fan, bukaan dan pipa udara. Metode yang bisa digunakan untuk menghitung tingkat ventilasi diantaranya adalah sebagai berikut : (a) Tingkat maximal konsentrasi kontaminan Persamaan peluruhan dapat digunakan untuk menggambarkan kondisi steadi-state dari konsentrasi kontaminan dan tingkat ventilasi: Ci = Co + F / Q
(5.3.)
dimana Ci = tingkat maksimum konsentrasi kontaminan Co = konsentrasi kontaminan di luar F
= tingkat pembangkitan kontaminan di dalam rumah (l/s)
Q = tingkat ventilasi (l/s) (b) Pembangkitan Panas Tingkat ventilasi dibutuhkan untuk menghilangkan panas dari dalam bangunan diberikan sbb: (5.4.)
Dimana : H = panas yang dibangkitkan di dalam rumah (W) Q = ventilation rate (l/s) cp = kapasitas panas specific dari udara air (J/kg.K) = densitas udara (kg/m3) Ti = suhu dalam ruangan (K) To = suhu di luar ruangan (K)
(c) Tingkat pergantian udara (Air change rates) Pada beberapa perhitungan profesional ACH digunakan sebagai dasar perhitungan ventilasi untuk berbagai macam kebutuhan. Tingkat ventilasi dalam hubungannya dengan ACH adalah sebagai berikut: (5.5)
Dimana Q
= tingkat ventilasi (l/s)
V
= konsentrasi kontaminan di luar rumah
ACH = air change per hour Rekomendasi ACH untuk berbagai ruangan Ruangan Garasi Dapur Lavatory (WC) Kamar Mandi Tempat Boiler
ACH 6 20 - 60 15 6 15 - 30
Kebutuhan oksigen untuk berbagai keperluan Penggunaan Kantor - Kantor terbuka - Ruang konferensi Toko kelontong - dekat jalan - tingkat diatasnya Pendidikan - ruang kelas - auditorium - perpustakaan Rumah sakit - ruang pasien - ruang operasi V.5. Panduan Ventilasi Alami
Perkiraan jmh penghuni Maximum (jumlah orang dalam area 100m2 )
Kebutuhan udara luar (l/s/person)
7 50
10 10
30 20
5 5
50 150 20
8 8 8
10 20
13 15
•
Ventilasi alami harus efektif terlepas dari besar dan arah angin yang biasanya terjadi, bahkan ketika angin tidak ada sama sekali;
•
Bukaan inlet dan outlet seharusnya tidak terganggu oleh object-object disekitarnya;
•
Jendela seharusnya terlepak di bagian tekanan yang berlawanan, hal ini biasanya akan meningkatkan ventilasi udara;
•
Harus dipastikan adanya jarak verikal diantara dua bukaan untuk menjamin terjadinya stack effect;
•
Bukaan pada ketinggian yang sama dan dekat dengan ceiling harus dihindari karena akan lebih banyak udara yang melewati pada zona berpenghuni;
•
Elemen-elemen arsitektur seperti wingwalls, parapets and overhangs harus digunakan untuk mendukung udara masuk ke bangunan;
•
topography, landscaping, dan sekeliling bangunan harus dimanfaatkan untuk memberikan bangunan semaksimal mungkin mendapatkan angin;
•
di hot, humid climates, kecepatan angin harus dimaksimalkan untuk bisa mendinginkan tubuh dan mencapai kenyamanan termal yang diinginkan;
•
Untuk mendapatkan aliran angin, façade bangunan yang panjang, jendela dan pintu harus diarahkan ke kecenderungan datangnya angin.
•
Jika mungkin, jendela harus bisa di kontrol oleh penghuni;
•
Vertical shafts and open staircases bisa digunakan untuk meningkatkan dan membangkitkan stack effect;
•
Bukaan di dekat tekanan yang netral sebaiknya di kurangi karena hal tersebut kurang efektif untuk ventilasi yang di sebabkan oleh termal (thermally induced ventilation);
•
Jika bukaan inlet and outlet hampir sama besarnya, maka ventilasi yang seimbang dan besar dapat didapatkan.
V.6. Kendala Ventilasi Alami Aplikasi dari ventilasi alami akan sukses apabila semua kendala dapat di atasi, berikut adalah beberapa kendala dari ventilasi alami: •
Kendala selama bangunan dalam masa operasi
•
•
–
Masalah keamanan
–
Gangguan dari lingkungan
–
Debu dan polusi udara
–
Solar shading yang menutupi bukaan
–
Draught prevention
–
Pengetahuan penghuni atas manfaat terbesar dari ventilasi alami
Kendala ketika mendisain bangunan –
Regulasi keamanan atas kebakaran
–
Kebutuhan atas proteksi terhadap akustik.
–
Kesulitan dalam mendeteksi pengunaan utama bangunan
–
Desain dari shading, dan daylighting bisa menutup aliran udara luar
–
Masalah dengan control otomatis pada bukaan
–
Kesulitan dalam masalah disain yang reliable
Kendala yang lain –
Impact dari arsitektur dan desain envelop
–
Kondisi indoor yang fluktuatif
–
Desain ventilasi alami membutuhkan lebih banyak kerja, tapi dapat menekan kerka mekanis dari alat ventilasi.
–
Resiko yang maningkat atas desainer
–
Tidak adanya standar yang baku
VI. PSYCRHOMETRI VI.1.Beberapa Terminologi Dasar •
Udara lembab : tipikal udara atmosfer yang mengandung sejumlah kecil uap air (merupakan campuran dari dua gas ideal yaitu udara kering dan uap air)
•
Udara kering : campuran O2 dan N2 yang tidak mengandung uap air
•
Phychrometric : berhubungan dengan properties termodinamika dari air yang lembab dan menggunakan properties tersebut untuk menganalisa kondisi dan proses yang meliobatkan udara lembab.
•
Range suhu yang dibahas dari 40°C sampai dengan 50°C
•
Dry-bulb temperature (Tdb) : Biasanya disebut juga temperatur udara, adalah properties dari udara yang biasa, dan paling umum digunakan. Ketika manusia menyatakan suhu udara, maka yang dimaksud adalah dry bulb temperature ini. (Tdb) dapat diukur dengan menggunakan termometer biasa, dan ini adalah indikator dari panas (energi) suatu udara.
•
Wet-bulb temperature (Twb) : berhubungan dengan kandungan air di dalam udara. (Twb) dapat diukur dengan menggunakan thermometer yang dilapisi dengan kain basah. (Twb) selalu lebih rendah daripada (Tdb), dan dia akan selalu identik dengan 100% kelembaban relative di udara
•
Dew point : Tdp adalah suhu dimana uap air mulai mengembun dan memisahkan diri dari campuran, yaitu suhu dimana udara menjadi saturasi penuh, di atas suhu ini maka uap akan selalu ada dalam udara.
•
Humidity ratio : perbandingan antara masa aktual dari uap air yang ada dalam udara basah dengan massa udara kering. Biasanya dinyatakan dalam kg/kg
x
mw [kg air / kg udara ker ing ] ma
(6.1.)
Parameter ini sulit untuk diukur tetapi sangat berguna dalam banyak perhitungan. Seperti halnya gas ideal, rasio kelembaban dapat juga dituliskan dalam bentuk partial pressure of water vapor dan total pressure of air. x 0.622
pw [kg air / kg udara ker ing ] p pw
(6.2.)
dengan pw = partial pressure of water vapor [Pa] dan p adalah total pressure of air [Pa]. •
Kelembaban relatif dari suatu campuran udara-air didefinisikan sebagai rasio dari tekanan parsial uap air dalam campuran terhadap tekanan uap jenuh air pada
temperatur tersebut. Kelembaban relatif menggunakan satuan persen dan dihitung dengan cara berikut
pw ps (T )
(6.3.)
Kelebihan menggunakan parameter ini adalah lebih mudah dalam pengukurannya, hanya seringkali kita harus mengetahui temperatur juga. •
Hubungan antara humidity ratio dan relative humidity adalah sebagai berikut : x 0.622
•
ps (T ) p ps (T )
p x ps (T ) x 0.622
(6.4.)
Specific volume – Fungsi dari temperature, tekanan dan kadar kelembaban va 461.6
•
T (0.622 x)[m 3 / kg dry air ] p
(6.5.)
Kondisi saturasi dari udara lembab adalah sebagai berikut xs 0.622
ps (T ) [kg water / kg dry air ] p ps (T ) (6.6.)
•
Specific enthalpy - terdiri dari dari sensible dan latent heat, ini sangat penting dalam perhitungan beban pendinginan dan pemanasan
•
Enthalphy dari udara lembab meliputi - enthalpy dari udara kering (sensible heat) dan enthalpy uap (latent heat). Jadi specific enthalpy dari udara lembab merupakan total enthalpy dari udara kering dan uap air per kg dari udara kering. Specific enthalpy dari udara kering h c p .t
h r0 c p ,v .t
(6.7.) Dimana t
= adalah temperature udara
Cp = adalah specific heat capacity dari udara Cp,v = adalah specific heat capacity dari uap air r0 = adalah panas evaporasi dari air pada suhu 0°C
•
Specific enthalpy dari air h ( x xs )cw .t
(6.8.) •
Specific enthalpy dari es adalah h ( x xs )cw .t
(6.9.) •
Dan specific enthalpy dari udara lembab (unsaturated) adalah h ( x xs )(ci .t qi .)
(6.10.) •
Dan specific enthalpy dari udara lembab (saturated) adalah h 1.01.t x (2501 1.86.t )
(6.11.) •
Dan specific enthalpy dari udara lembab yang mengandung es (saturated) adalah h 1.01.t xs ( 2501 1.86.t ) ( x xs )(2.09t 334)
(6.12.)
Gambar 6.1. Grafik Psikometrik
Pedoman menggunakan grafik psikometrik 1. Membutuhkan 2 kuantitas untuk menentukan sebuah posisi 2. Dengan menentukan posisi (titik) kita bisa mendapatkan semua kuantitas yang lain
3. Sebenarnya tanpa chart kita bisa mendapatkan juga dengan menggunakan perhitungan, tetapi sering kali kita harus menggunakan iterasi. 4. Tekanan harus spesifik 5. Grafik tersedia dalam ranah tekanan yang spesifik.
Gambar 6.3.Phsychrometer Adiabatic saturation temperatur dapat ditentukan (pada tekanan atmosfer) dengan menggunakan thermometer yang dilapisi dengan kain basah. Dalam gambar (sling psychrometer) Ingat : Sensor kelembaban elektronic sudah banyak tersedia sekarang Proses-proses Psychrometric. a. Sensible cooling Dalam proses ini, jumlah uap air tetap, tetapi temperature turun ketika udara melewati coil pendingin. Untuk menjaga kelembaban tetap maka coil harus kering dan suhu permukaannya harus lebih tinggi dari dew point temperatur udara. Jika koil efektif 100%,
maka temperatur udara yang keluar akan sama dengan temperatur koil. Secara riil temperatur udara yang keluar akan lebih tinggi suhunya daripada temperatur koil.
Gambar 6.4. Proses sensible cooling (OA) Transfer panas yang terjadi pada proses ini adalah (6.13.) b. Sensible heating Proses ini sama dengan proses pendinginan sensible dimana udara akan menajdi panas ketika melewati koil pemanas. Proses transfer panas yang terjadi adalah : (6.14.) Dimana Cpm adalah panas spesisifik dari udara lembab ( 1.0216 Kj/Kg udara kering), dan ma adalah laju aliran masa udara kering (kg/s)
Gambar 6.4. Proses sensible heating (OB)
c. Pendinginan dan Dehumidification Ketika udara lembab didinginkan di bawah temperature dew point-nya dengan meyentuhkannya ke permukaan yang lebih dingin, ebagian uap air akan mengembun, hasilnya temperature dan kelembaban akan turun. Ini adalah proses tipikal dari AC. Proses tersebut dapat di rumuskan dalam rumus konservasi energi sebagai berikut : (6.15.)
Gambar 6.5. Proses Pendinginan dan Dehumidification (OC) Dengan menggunakan persamaan energi balance : (6.16.) Dari dua persamaan di atas beban pada cooling coil Qt dapat ditulis : (6.17.) Bagian kedua dari ruas kanan biasanya bernilai sangat kecil jika dibandingkan dengan yang lain maka persamaan menjadi lebih sederhana : (6.18.) Pendinginan dan dehumidification melibatkan dua proses transfer panas, yaitu latent dan sensible heat transfer, oleh karena itu total panas latent dan sensibel (Qt, Ql dan Qs) dapat ditulis :
(6.19.)
Dengan memisahkan total transfer panas dari cooling coil kita bisa menggunakan parameter baru yaitu SHF (sensible heat factor), yaitu rasio panas sensible terhadap total transfer panas. (6.20.) Nilai SHF sebesar 0.75 sampai dengan 0.8 sangat umum di lokasi panas dan kering. Di daerah lembab seperti Indonesia, nilai tersebut bisa mencapai 0.6. Dapat dilihat pada gambar 6.5. bahwa proses O-C diberikan dengan
(6.21.) Dari definisi SHF kita bisa kembangkan :
(6.22.) Dari dua persamaan diatas, kita bisa menulis slope dengan rumus :
(6.23.) Kita bisa lihat bahwa slope dari proses tersebut merupakan fungsi dari SHF. Jadi kita bisa menggambar di psikrometrik chart manakala titik awal dan SHf diketahui. Dalam beberapa psikrometrik chart nilai SHF dicantumkan.
Gambar 6.6. Psychrometric chart dengan SHF protractor.
Dalam kondisi riil udara yan keluar dari koil selalu lebih tinggi suhunya dibandingkan dengan suhu koil disebabkan karena pembentukan boundary layer di permukaan coil dan juga karena variasi suhu sepanjang koil. Untuk itu kita definisikan by-pass factor (BPF)
(6.24.) Dapat dilihat bahwa semakin besar BPF maka semakin besar pula perbedaan suhu antara udara outlet dan suhu koil. Ketika BPF=1, maka tidak ada proses cooling atau dehumidification sama sekali. BPF dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah row di koil, mengurangi kecepatan angin atau mengurangi fin pitch. d. Pemanasan dan Pelembaban Selama musim dingin biasanya sangat dibutuhkan kondisi ruangan yang panas sekaligus lembab. Hal tersebut biasanya diselesaikan dengan sensible heating kemudian diteruskan dengan penyemprotan uap air melalui nozzle.
Gambar 6.7. Proses pemanasan dan pelembaban Kesetimbangan masa dari uapa air pada kontrol volume, menghasilkan persamaan : (6.25.) Dimana ma adalah mass flow rate dari udara kering Dari kesetimbangan energi (6.26.)
Dimana Qh adalah panas yang disuplai melalui koil pemanas dan h w adalah entalpi dari uap. Karena proses ini juga melibatkan pertukaran panas danm massa secara simultan, maka kita dapat mendefinisikan SHC pada proses ini seperti pada proses cooling dan dehumidification. e. Cooling dan Humidification Dalam proses ini temperatur udara turun dan kelembabannya naik. Hal ini bisa dilakukan dengan menyemprotkan air dingin pada aliran udara. Suhu air haruslah lebih rendah daripada dry bulb temperature tetapi harus lebih tinggi dari pada temperatur dew point, untuk mencegah kondensasi (Tdpt
Gambar 6.8. Cooling and humidification Dalam proses ini terjadi transfer panas sensible dari udara ke air, dan transfer panas latent dari air ke udara. Oleh karena itu total transfer panas tergantung pada temperatur air. Jika temperature air yang di semprotkan sama dengan temperature udara wet bulb, maka transfer panas menjadi nol. Maka transfer panas sensible dari udara ke air akan sama dengan transfer panas latent dari air ke udara. Proses ini akan banyak ditemui di banyak kasus, misalnya evaporatif cooler, cooling tower dan sebagainya. f. Pemanasan dan de-humidifikasi Proses ini bisa dicapai dengan menggunakan hygroscopic material, dimana bisa menyerap uap air dari udara lembab. Jika proses ini secara termal terisolasi, maka entalpi udara dijaga konstant, sebagai hasilnya tempertur udara naik sebagai akibat dari kelembaban yang turun. Higroscopic material dapat terbuat dari solid atau liquid. Proses yang terjadi biasanya secara exothermic, sebagai akibatnya panas akan di hasilkan dan ditransfer ke udara.
Gambar 6.9. Reaksi dehumidifikasi secara kimia. g. Pencampuran udara Mencampur udara dari kondisi yang berbeda biasanya terjadi di banyak proses termasuk AC. Tergantung pada kondisi asal dari masing-masing udara, proses pencampuran dapat terjadi dengan pengembunan atau tanpa pengembunan (kondensasi) 1. Proses tanpa pengembunan
Gambar 6.10.Proses pencapuran dua udara tanpa proses kondensasi. Untuk mass balance antara udara dan uap air adalah sebagai berikut : (6.27.) Untuk energi balance : (6.28.) Rasio dari panjang garis (13)/(23) sama dengan rasio aliran (ma2/ma1) 2. Dengan proses tanpa pengembunan Ketika udara sangat dingin dan kering bertemu dengan udara panas dan basah, maka akan ada bagian uap air yang mengembun. Berdasarkan atas hal ini maka rasio
kelembaban pada point 3 akan lebih kecil dibandingkan di point 4. Dan akan muncul kenaikan temperatur sebagai akibat dari panas laten proses kondensasi. Proses ini sangat jarang terjadi di AC tetapi biasa terjadi dalam fenomena fog atau frost jika suhu udara campuran di bawah 0°C.
Gambar 6.11.Proses pencapuran dua udara dengan proses kondensasi.
VII. KENYAMANAN TERMAL DAN PERHITUNGAN BEBAN PENDINGINAN VII.1.Kenyamanan Termal •
Thermal comfort adalah kondisi dari perasaan manusia dimana dia merasa nyaman dengan lingkungannya.
•
Persepsi tentang kenyamanan termal sesungguhnya adalah sangat individual, oleh karena itu men-set sebuah parameter termal dimana setiap orang akan merasa nyaman adalah tidak mungkin, tetap saja ada sejumlah orang yang merasa tidak nyaman dengan kondisi lingkungan tertentu.
•
Kenyamanan adalah suatu seting lingkungan dimana bagi kebanyakan orang prosentase dari ketidaknyamanan tidak akan melebihi dalam batasan tertentu. Seting kenyamanan lingkungan biasanya dibantu dengan menggunakan HVAC
•
Kegunaan HVAC adalah menciptakan kondisi ruangan yang bisa diterima oleh sebagian besar dari penghuni di dalamnya.
VII.2. Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal •
Suhu ruangan
•
Suhu permukaan (surface)
•
Kelembaban
•
Angin
•
Pakaian
•
Aktivitas
•
Faktor lain misalnya (kebisingan, umur, jenis kelamin, kualitas udara, dll)
Penting untuk dicatat : •
Kenyamanan termal dipengaruhi oleh ketujuh hal di atas, mengubah satu parameter untuk mempertahankan kenyamanan termal, membutuhkan pengaturan kembali beberapa faktor yang lain.
Sekilas mengulang tentang mekanisme tubuh manusia •
Normal temperature core manusia adalah 37°C
•
Manusia mempunyai sensor panas dan dingin dalam tubuhnya secara terpisah.
•
Sensor panas yang terletak di hypothalamus, mengirimkan sinyal jika suhu tubuh naik diatas 37° C kemudian tubuh melakukan aktivitas pendinginan dengan cara meningkatkan aliran darah dan bekeringat.
•
Sementara itu sensor dingin berlokasi di kulit, mengirimkan sinyal ketika temperatur turun turun dibawah 34°C, kemudian tubuh meresponnya dengan mengurangi aliran darah dan menggigil.
•
Untuk mempertahankan kenyamanan termal maka panas hasil metabolisme tubuh harus sama dengan panas yang keluar dari tubuh.
Gambar 7.1. Batasan kenyamanan termal (ASHRAE) Dasar ASHRAE standard 55 •
Ranah temperature dan kelembaban yang diterima manusia
•
Winter 0.9 Clo dan untuk Summer 0.5 Clo
•
Untuk aktivitas biasa/duduk, ingat : C=(5/9)(F-32)
1. Temperature Komponen ini adalah yang paling dominan dalam menentukan kenyamanan termal, beberapa hal yang penting untuk di ingat adalah : •
Menurut ISO7730 standar, perbedaan suhu antara kepala dan pergelangan kaki maksimal sebesar 3°C
•
Dalam sebuah ruangan, penyebab ketidaknyamanan terbesar adalah dinding atas (ceiling) yang hangat dan dinding samping yang dingin
•
ISO7730 standard, dengan menggunakan sepatu standar rumah, pemanasan lantai maksimal 27°C untuk tinggal lama, maksimal 29°C untuk tinggal sebentar, dan maximal 35°C untuk suhu udara.
2. Kelembaban •
Tidak mempunyai efek yang signifikan pada zona thermal comfort terutama pada suhu normal dan aktivitas normal
•
RH 30-70% masih diterima untuk orang sehat dan pada suhu 20-25°C dengan pakaian biasa.
•
Semakin tinggi aktivitas, maka kelembaban dibutuhkan semakin rendah
3. Angin •
Biasanya merupakan salah satu yang sering dikeluhkan di dalam ruangan (barat)
•
Di negara 4 musim, hal ini kurang di senangi, sebaliknya di negara lembab dan panas sangat disukai.
•
Dalam kondisi umum, mengurangi panas tubuh (dengan evaporasi)
•
Kecepatan angin sampai dengan 0.25 m/s tidak terlalu mempengaruhi kenyamanan termal.
•
Sensasi dari angin tergantung dari suhu udara, pada suhu udara yang lebih rendah, semakin banyak orang yang merasa tidak nyaman dengan angin
•
Kecepatan angin sampai dengan 0.15 m/s masih bisa diterima pada suhu yang dingin dan pakaian ringan
•
Kecepatan angin sampai dengan 0.5 m/s bisa diterima pada aktivitas yang lebih tinggi
4. Pakaian •
Nilai isolasi pakaian : R = 0.155 lcl [(m2K)/W]
I clo = 0.155 [(m2K)/W]
5. Aktivitas •
Metabolisme adalah energi yang dikeluarkan oleh tubuh dalam beraktifitas dan merupakan bentuk konservasi dari suhu tubuh
•
Metabolisme tidak sama dengan transfer panas antara manusia dan lingkungannya
•
Metabolic rate : tergantung pada aktivitas, di ukur dalam ukuran Met. 1 Met = 58.2 W/(m2 Dubois area)
•
Diukur dari rata-rata orang dewasa yang duduk dengan tenang. Rata-rata luas area orang dewasa adalah AD = 1.8 m2
•
Nilai maksimum dari metabolisme : laki-laki sehat umur 20th = 12 met, umur 35th = 10 met, umur 70th = 7 met. Atlit terlatih katika lari jarak jauh : 20 Met. Perempuan = 70% laki-laki
6. Kualitas Udara Beberapa kemungkinan yang mempengaruhi kenyamanan termal ketika semua parameter sudah terpenuhi diantaranya adalah : •
Debu, asap, dan fumes yang mengakibatkan iritasi pada organ-organ pernafasan.
•
Uap dan gas dari penguapan bahan-bahan bangunan dan orang.
•
Bioaerosol, misalnya virus, bakteri, jamur dan pollen
•
Konsentrasi O2 yang rendah dari ruangan
•
Asap rokok, karsinogenic buat perokok pasif
Langkah penanggulangan •
Dalam desain HVAC maka harus ada filtrasi dan fresh air supply.
Level noise •
Suara yang keras tidak sehat, dapat mengganggu pernafasan, tidur dan juga kemampuan untuk berkonsentrasi ketika memang kerja membutuhkan yang demikian.
•
Kemungkinan gangguan dari TV radio, HVAC sistem, pemipaan dll
VII.3. Perhitungan Beban Pendinginan Beban pendinginan adalah panas yang harus dibuang dari ruangan untuk memelihara kondisi termal yang diinginkan, dua parameter yang biasanya dikontrol adalah dry bulb temperature dan relative humidity. Beban pendinginan ruangan yang ada adalah : •
Konduksi panas dari luar melalui atap, dinding, dan jendela.
•
Radiasi sinar matahari melalui jendela
•
Konduksi panas melalui sambungan dinding, ceiling dan lantai
•
Panas internal oleh manusia, lampu, kompor dan alat-alat lain
•
Udara panas dan lembab yang masuk melalui pintu, jendela dan ventilator.
Semua beban tersebut rata-rata memberikan kontribusi sensible dan latent heat, kecuali lampu, konduksi panas dan radiasi sinar matahari yang tidak memberikan kontribusi latent heat. Salah satu apek yang cukup sulit dalam perkiraan beban pendinginan adalah perkiraan waktu maksimum beban pendinginan terjadi. Tabiatnya, beban pendinginan tersebut naik turun dalam rentang jam, hari bahkan bulan dalam satu tahun. Sebagai contoh, panas yang didapatkan dari atap akan maksimal ketika tengah hari, sementara panas yang didapatkan dari dinding sebelah timur akan mencapai maksimal pada pagi hari VII.4. Contoh perhitungan beban pendinginan
Gambar 7.2. Contoh ruang untuk perhitungan beban pendinginan.
•
Kita akan menghitung beban panas pada ruangan 101
•
Arah jendela menghadap ke barat sehingga akan mendapatkan radiasi maksimal ketika sore hari, kita asumsikan ketika jam 4 sore
•
Lokasi berada di St.Louis Missouri, luas lantai 13.7 x 18,3 m dengan tinggi 3,7 m
•
Kondisi ruangan yang diinginkan adalah
25,6°C dry bulb dan 50% relative
humidity •
Dinding yang menghadap ke barat seluas (3,7 m x 13,7m) bermaterial setebal 203,2 mm light concrete dengan lapisan aluminium di bagian luar setebal 88.9 mm dan 12,7 mm lapisan gipsum di bagian dalam
•
Delapan buah jendela double pane (6,4 mm) dipasang di bagian dinding aluminium, masing-masing jendela seluas 1.2 m x 1.5 m
•
Atap datar dengan luas 13,7 x 18.3 m terbuat dari concrete 100 mm dengan lapisan isolasi dan stell decking setebal 90 mm
•
Ruangan ditempati dari jam 8 pagi sampai dengan jam 5 sore oleh 18 orang yang bekerja ringan
•
Lampu flourescent sebesar 21.5 W/m2
•
Komputer dan alat-alat yang lain sebesar 5.4 W/m2 ditambah satu biji coffee maker.
•
Untuk memudahkan pehitungan kita asumsikan bahwa uang 101 kecuali dinding sebelah barat dikelilingi dengan ruangan yang suhunya sama dengan ruangan 101.
Catatan : HVAC sistem biasanya akan sangat oversized jika perhitungan didasarkan pada suhu paling ekstrem (pada kasus musim panas, adalah paling panas) oleh karena itu outdoor desain temperature didasarkan pada frekuensi paling sering. Lihat : ASHRAE handbook –Fundamental.
•
Data ASHRAE menunjukkan 3 kolom dry bulb dan wet bulb temperature. Angka 0.4% menunjukkan bahwa temperatur di St Louis melebihi 35°C hanya 0.4% dalam satu tahun. Demikian juga dengan kolom kedua, angka 1% artinya temperatur yang melebihi 34°C hanya 1% atau sekitar 87.6 jam dalam satu tahun, ketika dry buld 34°C maka wet bulb temperatur yang paling sering terjadi adalah 24°C.
•
Dalam kasus ini kita akan menggunakan angka 35°C untuk dry buld dan 25°C untuk wet bulb.
A. Panas yang melalui dinding (shaded wall) Q = U x A x T •
Perhitungan nilai U (overall heat transfer coefficient) dan data-datanya didapatkan dari ASHRAE.
•
Dinding bangunan tersebut merupakan seri dari beberapa bahan sebagai berikut : Aluminium
R = 0.11 m2 °K/W
200 mm concrete ringan
R = 0.35 m2 °K/W
90 mm fiberglass
R = 2.29 m2 °K/W
12.7mm gypsum
R = 0.08 m2 °K/W
•
Juga perlu diperhatikan adanya lapisan tipis udara di dalam dan di luar ruangan.
•
Asumsikan di luar udara bergerak dengan kecepatan 12 km/jam di waktu summer R = 0.044 dan di bagian dalam R = 0.12 U
1 Routdoor airfilm Rsiding Rconcrete Rinsulation Rgypsum Rindoor airfilm
1 1 2 U 0.04 0.11 0.35 2.29 0.08 0.12 2.99 0.33W / m . K
•
Perhitungan untuk U atap juga dilakukan dengan cara yang sama
1 1 2 U 0.04 0.06 2.29 0.54 0 0.16 3.09 0.323W / m . K
•
Maka panas konduksi yang melalui dinding sebelah barat dengan asumsi seharian tidak terkena matahari adalah :
•
Total area untuk dinding adalah luas dinding dikurangi luas jendela. [3.7x13.7m] – [8x (1.2x1.5) = 14.4 m2] = 36.3 m2
•
Q = U x A x T , Q = 0.33 x 36.3 x (35-25.6) = 113 W
B. Perhitungan konduksi permukaan sunlit •
Sebagian besar dari permukaan bangunan biasanya terpapar sinar matahari. Radiasi sinar matahari sama dengan cahaya lampu yang berjalan tegak lurus dan dapat direfleksikan dari permukaan yang cerah (putih) dan dapat menembus kaca (transparent surface)
•
Pada waktu cahaya matahari mengenai permukaan sebagian energinya masuk dan memanasi permukaan dinding. Besarnya cahaya akan maksimum pada sudut datang 90 derajat.
•
Dinding dan atap mempunyai kemampuan untuk menyimpan energi, oleh karena itu mampu membuat delai adanya transfer energi dari luar ke dalam
•
Sebuah faktor yang disebut dengan CLTD (cooling load temperature different) digunakan untuk menghitung adanya heat transfer dari bagian luar yaitu dinding, atap dan jendela (exterior wall). CLTD merupakan fungsi dari kemampuan bahan dalam menyimpan panas dan merupakan pengganti T dalam perhitungan konduksi. Q = U x A x CLTD
Berikut nilai CLTD dari tembok yang menghadap ke barat dari ASHRAE
•
Perlu diperhatikan nilai CLTD diatas adalah nilai yang telah sesuai dengan asumsi yang diberikan di depan yaitu : suhu ruangan 25.6°C suhu maksimum outdoor 35°C dan maksimum perbedaan temperature harian 11.7°C, tanggal 21 July, 40 lintang utara dan permukaan dinding warna gelap.
•
Table dari bebagai macam dinding dan atap, dan juga beberapa faktor koreksi untuk aplikasi yang berbeda dapat ditemukan dalam 1997 ASHRAE Handbook— Fundamentals and ASHRAE’s Cooling and Heating Load Calculation Principles manual.
•
Dinding yang kita gunakan di klasifikasikan dalam dinding tipe 9, pada jam 4 sore (jam ke 17 dalam tabel), CLTD untuk dinding yang menghadap ke barat adalah 12°C), ini artinya meskipun perbedaan suhu udara kering aktual cuma 9.4°C (3525.6), tetapi matahari yang memanasi dinding seolah-olah menambah perbedaan temperatur menjadi 12°C.
•
Perhatikan bahwa CLTD naik di sekitar setelah siang dan turun di sore hari, karena panas yang tersimpan akhirnya tertransfer ke dalam ruangan.
•
Dengan menggunakan CLTD (mengganti T) maka kita menghitung konduksi melalui dinding sebelah barat dan atap.
•
Untuk dinding mengadap ke barat : Q= 0.33 x 36.3 x 12 = 144 W
•
Untuk atap Q = 0.323 x 250.7 x 44 = 3,563 W
C. Penentuan U faktor pada jendela •
Penentuan U faktor pada kaca jendela juga sama dengan cara penentuan pada jendela dan atap. Jendela kaca dalam kasus ini adalah 6.4 mm dan udara bebas diantaranya,. Di asumsikan jendela tetap fix, tidak bisa buka tutup dengan frame aluminium dan thermal break maka U-factor adalah 3.56 W/m2K
•
Maka besar konduksi untuk 8 buah jendela adalah sebagai berikut : Q = 3.56 x 14.4 x 7 = 359 W
•
Nilai CLTD = 7, juga diambilkan dari daftar ASHRAE untuk cltd glass window
D. Radiasi matahari melalui kaca •
Panas terbesar yang masuk melalui kaca adalah melalui radiasi langsung jika dibandingkan melalui konduksi.
•
Kaca yang double atau bahkan triple memang sangat efektif untuk menghambat panas dalam konduksi tapi hal itu tidak punya banyak pengaruh dalam menahan radiasi
•
Untuk membatasi jumlah sinar matahari yang masuk maka akan lebih efektif menggunakan lapisan penyerap panas, reflective glass, atau internal dan external shading.
•
Persamaan menghitung untuk radiasi sinar matahari yang masuk melalui kaca adalah sebagai berikut : Q = A x SC x SCL
•
Q
= radiasi panas yang masuk ke dalam ruangan
A
= total luas kaca m2
SC
= shading koefisien (tidak berdimensi)
SCL
= solar cooling load factor W/m2
SCL digunakan untuk menghitung rerata besarnya solar radiasi yang masuk ke dalam ruangan memanaskan ruangan dan melepaskan panasnya dalam bentuk sensible heat.
•
SCL didasarkan atas beberapa variabel yaitu, : arah jendela, waktu dalam sehari, bulan dan garis lintang. Empat variable ini menentukan posisi jendela dalam hubungannya dengan sudut datang tdd sinar matahari
•
Dua variable yang lain yaitu interior partisi dinding dan tipe dari lantai menentukan kapasitas dan ruang untuk menyimpan panas. Dua hal ini akan menentukan time lag antara radiasi matahari memanasi ruangan dan furniture dan waktu dimana panas dilepaskan oleh benda-benda tadi ke dalam ruangan.
•
Yang terakhir yaitu shading menentukan besarnya sinar matahari yang masuk melalui kaca jendela.
•
Dalam contoh kita nilai SCL dari kaca (masuk dalam kelompok A) bisa diambilkan dari tabel ASHRAE sebagai berikut
•
SC (shading coefficient) adalah angka yang digunakan untuk memberikan porsi seberapa banyak sinar matahari masuk melewati jendela luar dan kemudian masuk ke dalam ruangan.
•
Shading coefficient untuk sebuah jendela ditentukan dengan membandingkan reflektifitas kaca bersangkutan dengan standar jendela. Semakin kecil nilai SC semakin banyak sinar matahari yang di pantulkan keluar oleh jendela.
•
Dalam kasus kita jendela adalah dua panel setebal 6.4 mm dipasang di panel alumunium dan fixed. Nilai SC untuk yang demikian adalah 0.74.
•
Solar radiasi melalui jendela i.e :
Q= 14.4 x 0.74 x 605 = 6447 W
Nilai yang cukup besar ! Shading device •
Memasang internal shading, seperti halnya venetian blinds, curtain ataupun drape dapat mengurangi sinar matahai yang masuk.
•
Efektivitasnya tergantung pada kemampuannya untuk memantulkan kembali sinar yang masuk ke dalam ruangan.
•
Demikian juga dengan shading external seperti overhang, vertical fins, atau awning dapat mengurangi panas yang masuk ke jendela.
E. Panas Internal •
Beban panas internal yang utama adalah manusia, lampu, alat masak, motor dll.
•
Di bawah ini tabel tentang beberapa panas yang dibangkitkan oleh beberapa peralatan dan manusia.
•
Dalam perhitungan ini kita kenalkan konsep CLF (Cooling load Factor) dimana konsepnya sama dengan CLTD untuk konduksi dan SCL untuk radiasi sinar yaitu untuk menghitung kapasitas dari ruangan dalam menyimpan panas.
•
Panas sensible yang dibangkitkan oleh manusia diserap dan disimpan oleh bendabenda di ruangan. Ada waktu jeda antara benda-benda itu mendapatkan panas dan akhirnya melepaskan panas tersebut kembali sehingga mempengaruhi panas di ruangan.
•
Dalam menghitung panas dari manusia, nilai dari CLF tergantung pada : 1. Kontruksi dinding bagian dalam 2. Tipe dari lantai 3. Jumlah jam ruangan dipakai oleh manusia 4. Jumlah jam sejak manusia masuk ke ruangan tersebut.
Tabel CLF
•
Dari tabel kita bisa lihat bahwa satu jam setelah orang masuk ke ruangan, ada 35% (1 - 0.65) dari panas sensible diserap oleh dinding lantai dan furniture, dan 65 % adalah nilai aktual beban pendinginan dari manusia.
•
Kita lihat tabel ke arah kanan, dengan semakin lama orang ada dalam ruangan ternyata dinding, lantai dan furniture tdak lagi menyerap banyak panas dan bendabenda itu mulai melepaskan panasnya dari yang di dapatkan sebelumnya.
•
Sebagai contoh bila orang masuk pada jam 08 a.m dan bertahan total 8 jam, sampai dengan pukul 14 (6 jam setelah masuk) 91% dari panas yang dibangkitkan manusia merupakan beban pendinginan oleh ruangan hanya 9 persen yang diserap oleh permukaan (dinding lantai atap) dan furniture.
•
Catatan : Jika suhu ruangan tidak diset pada temperature sama dalam waktu 24 jam, maka nilai CLF = 1. Kebanyakan AC dimatikan di malam hari dan dinaiikkan setting suhunya unytuk mengurangi energi, oleh karena itu biasanya digunakan CLF =1.
•
Jadi nilai beban dari manusia : Sensible heat : 18 (orang) x 75 W x 1 = 1350 W Latent heat : 18 x 55 W x 1 = 990 W
F. Panas dari lampu •
Panas lampu merupakan hal yang sangat signifikan, sebagai contoh, sebuah lampu 120 watt membangkitkan 120W, yang rata-rata sama dengan panas yang dibangkitkan oleh rata-rata seorang pekerja kantor.
•
Sebagai tambahan, ketika menghitung panas dari flouroscent lights, sebanyak 20% ditambahkan untuk memperhitungkan panas dari ballast.
•
Maka persamaan adalah :
Q = watts x ballast factor x CLF
•
Dengan ballast faktor, 1.2 untuk lampu flourescent dan 1 ntuk non fluoroscent
•
Perhitungan panas dari lampu adalah : Jumlah penerangan : 21.5 W/m2
•
Luas lantai : 13.7 x 18.3 = 250.7 m2
•
Total energi untuk penerangan =
21.5 W/m2 x 250.7 m2 = 5400 W
•
Ballast faktor : 1.2 (lampu flourescent) CLF = 1.0 karena temperature set point pada malam hari di naikkan Q= 5400 x 1.2 x 1.0 = 6480 W
G. Panas dari peralatan •
ASHRAE juga memberikan beberapa pedoman panas yang dibangkitkan dari beberapa peralatan rumah tangga.
•
Coffe maker kita memberikan kontribusi panas sebesar 1050 W (sensible) dan 450 W (latent)
•
Juga komputer sebanyak 5.4W/m2 dengan Luas lantai 250.7 m2 maka menghasilkan panas : 1354 W
H. Beban panas karena infiltrasi •
Infiltrasi selalu terjadi dalam bangunan kita sehingga, pada kasus AC maka infiltrasi selalu memberikan kontribusi pada beban panas sensible dan latent karena udara luar biasanya lebih panas dan lebih lembab dari pada ruangan dalam.
•
Beberapa methode yang biasa digunakan untuk menghitung adalah
A. Air Change Method •
Metode ini paling mudah tetapi pada saat yang sama juga paling tidak akurat.
•
Dengan menggunakan metode ini jumlah udara infiltrasi dihitung dengan rumus : Infiltasi = (volume ruang x air change rate) : 60
B. Crack Method. Metode ini sedikit lebih komplek dan didasarkan pada rata-rata kuantitas udara masuk melalui crack disekitar jendela dan pintu ketika kecepatan udara konstant C. Effective leakage-area method, juga mempertimbangkan kecepatan angin, shielding, dan stack effect, dan membutuhkan perhitungan yang sangat detail. •
Dengan menggunakan ACH methode, nilai infiltrasi adalah : Infiltrasi = (927.6 x 0.3)/ 3600 = 0.077 m3/s Daftar ACH untuk infiltrasi bisa dilihat di tabel berikut :
Perhitungan sensible heat untuk infiltrasi : QS = 1,210 x airflow x T QS = 1,210 × 0.077 × (35 – 25.6) = 876 W Perhitungan latent heat adalah sebagai berikut : QL = 3,010 x airflow x W [QL = 3,010 × 0.077 × (15 – 10) = 1,159 W Dengan 1210 adalah spesifik heat udara, 3,010 adalah latent heat faktor, W adalah perbedaan antara design outdoor dan indoor rasio humidity. Catatan : angka 1210 dan 3010 adalah tidak konstant tergantung pada kondisi tertentu yaitu kondisi 21°C udara kering pada permukaan laut. Dengan densitas udara = 1.2 kg/m3, panas specific = 1,004 J/kg°K, Latent heat of water vapor = 12,503 kJ/kg, maka 1.2 × 1,004 = 1,210, Sementara 0.7 (1.2 x 2.503 x 1000 J/kJ)/1.000 g/kg = 3010
Resume hasil perhitungan beban panas Beban Panas Konduksi melalui atap Konduksi melalui dinding luar Konduksi melalui jendela Solar radiasi melewati kaca Beban orang Lampu Alat-alat listrik Infiltrasi TOTAL
VIII.
Sensible 3563 144 359 6447 1350 6480 2404 876 21623
KONSEP PENCAHAYAAN BANGUNAN
Latent
990 450 1159 2599
BUATAN
DALAM
Tujuan secara umum dalam pencahayaan dalam bangunan adalah •
Memastikan keselamatan manusia di dalam rumah
•
Memberi fasilitas fisual yang baik sesuai dengan kebutuhan
•
Membantu membuat sebuah lingungan yang cocok “appropriate visual environment”
VIII.1. Beberapa definisi tentang pencahayaan Lumen: merupakan satuan flux cahaya; flux dipancarkan didalam satuan unit sudut padatan oleh suatu sumber dengan intensitas cahaya yang seragam satu candela. Satu lux adalah satu lumen per meter persegi. Lumen (lm) adalah kesetaraan fotometrik dari watt, yang memadukan respon mata “pengamat standar”. 1 watt = 683 lumens pada panjang gelombang 555 nm. Efficacy : Beban terpasang, yaitu iluminasi/terang rata-rata yang dicapai pada suatu bidang kerja yang datar per watt pada pencahayaan umum di dalam ruangan yang dinyatakan dalam lux/W/m². Perbandingan Efficacy Beban Terpasang: Merupakan perbandingan efficacy beban target dan beban terpasang. Luminaire: Luminaire adalah satuan cahaya yang lengkap, terdiri dari sebuah lampu atau beberapa lampu, termasuk rancangan pendistribusian cahaya, penempatan dan perlindungan lampu-lampu, dan dihubungkannya lampu ke pasokan daya. Lux: Merupakan satuan metrik ukuran cahaya pada suatu permukaan. Cahaya rata-rata yang dicapai adalah rata-rata tingkat lux pada berbagai titik pada area yang sudah ditentukan. Satu lux setara dengan satu lumen per meter persegi. Tinggi mounting: Merupakan tinggi peralatan atau lampu diatas bidang kerja. Efficacy cahaya terhitung: Perbandingan keluaran lumen terhitung dengan pemakaian daya terhitung dinyatakan dalam lumens per watt. Indeks Ruang: Merupakan perbandingan, yang berhubungan dengan ukuran bidang keseluruhan terhadap tingginya diantara tinggi bidang kerja dengan bidang titik lampu. Efficacy Beban Target: Nilai efficacy beban terpasang yang dicapai dengan efisiensi terbaik, dinyatakan dalam lux/W/m².
Faktor pemanfaatan (UF): Merupakan bagian flux cahaya yang dipancarkan oleh lampulampu, menjangkau bidang kerja. Ini merupakan suatu ukuran efektivitas pola pencahayaan. Intensitas Cahaya dan Flux: Satuan intensitas cahaya I adalah candela (cd) juga dikenal dengan international candle. Satu lumen setara dengan flux cahaya, yang jatuh pada setiap meter persegi (m2) pada lingkaran dengan radius satu meter (1m) jika sumber cahayanya isotropik 1-candela (yang bersinar sama ke seluruh arah) merupakan pusat isotropik lingkaran. Dikarenakan luas lingkaran dengan jari jari r adalah 4πr2, maka lingkaran dengan jari-jari 1m memiliki luas 4πm2, dan oleh karena itu flux cahaya total yang dipancarkan oleh sumber 1- cd adalah 4π1m. Jadi flux cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya isotropik dengan intensitas I adalah: Flux cahaya (lm) = 4π × intensitas cahaya (cd) Perbedaan antara lux dan lumen adalah bahwa lux berkenaan dengan luas areal pada mana flux menyebar 1000 lumens, terpusat pada satu areal dengan luas satu meter persegi, menerangi meter persegi tersebut dengan cahaya 1000 lux. Hal yang sama untuk 1000 lumens, yang menyebar ke sepuluh meter persegi, hanya menghasilkan cahaya suram 100 lux. Hukum Kuadrat Terbalik Hukum kuadrat terbalik mendefinisikan hubungan antara pencahayaan dari sumber titik dan jarak. Rumus ini menyatakan bahwa intensitas cahaya per satuan luas berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari sumbernya (pada dasarnya jari-jari). E=I/d2
(8.1.)
Dimana E = Emisi cahaya, I = Intensitas cahaya dan d = jarak. Bentuk lain dari persamaan ini yang lebih mudah adalah: E1 d1² = E2 d2²
(8.2.)
Jarak diukur dari titik uji ke permukaan yang pertama-tama kena cahaya – kawat lampu pijar jernih, atau kaca pembungkus dari lampu pijar yang permukaannya seperti es. Contoh: Jika seseorang mengukur 10 lm/m² dari sebuah cahaya bola lampu pada jarak 1 meter, berapa kerapatan flux pada jarak setengahnya? Penyelesaian: E 1m = (d2 / d1)² * E2 = (1,0 / 0,5)² * 10 VIII.2. Jenis-jenis lampu
= 40 lm/m²
Lampu Pijar (GLS) Lampu pijar bertindak sebagai ‘badan abu-abu’ yang secara selektif memancarkan radiasi, dan hampir seluruhnya terjadi pada daerah nampak. Bola lampu terdiri dari hampa udara atau berisi gas, yang dapat menghentikan oksidasi dari kawat pijar tungsten, namun tidak akan menghentikan penguapan. Warna gelap bola lampu dikarenakan tungsten yang teruapkan mengembun pada permukaan lampu yang relatif dingin. Dengan adanya gas inert, akan menekan terjadinya penguapan, dan semakin besar berat molekulnya akan makin mudah menekan terjadinya penguapan. Untuk lampu biasa dengan harga yang murah, digunakan campuran argon nitrogen dengan perbandingan 9/1. Kripton atau Xenon hanya digunakan dalam penerapan khusus seperti lampu sepeda dimana bola lampunya berukuran kecil, untuk mengimbangi kenaikan harga, dan jika penampilan merupakan hal yang penting. Gas yang terdapat dalam bola pijar dapat menyalurkan panas dari kawat pijar, sehingga daya hantar yang rendah menjadi penting. Lampu yang berisi gas biasanya memadukan sekering dalam kawat timah. Gangguan kecil dapat menyebabkan pemutusan arus listrik, yang dapat menarik arus yang sangat tinggi. Jika patahnya kawat pijar merupakan akhir dari umur lampu, tetapi untuk kerusakan sekering tidak begitu halnya. Ciri-ciri
Efficacy – 12 lumens/Watt
Indeks Perubahan Warna – 1A
Suhu Warna - Hangat (2.500K – 2.700K)
Umur Lampu – 1-2.000 jam
Gambar 8.1. Lampu pijar dan efisiensi energinya
Lampu Tungsten-Halogen Lampu halogen adalah sejenis lampu pijar. Lampu ini memiliki kawat pijar tungsten seperti lampu pijar biasa yang digunakan di rumah, tetapi bola lampunya diisi dengan gas halogen. Atom tungsten menguap dari kawat pijar panas dan bergerak naik ke dinding pendingin bola lampu. Atom tungsten, oksigen dan halogen bergabung pada dinding bola lampu membentuk molekul oksihalida tungsten. Suhu dinding bola lampu menjaga molekul oksihalida tungsten dalam keadaan uap. Molekul bergerak kearah kawat pijar panas dimana suhu tinggi memecahnya menjadi terpisah-pisah. Atom tungsten disimpan kembali pada daerah pendinginan dari kawat pijar – bukan ditempat yang sama dimana atom diuapkan. Pemecahan biasanya terjadi dekat sambungan antara kawat pijar tungsten dan kawat timah molibdenum dimana suhu turun secara tajam.
Gambar 8.2. Lampu tungsten-halogen Ciri-ciri
Efficacy – 18 lumens/Watt
Indeks Perubahan Warna – 1A
Suhu Warna – Hangat (3.000K-3.200K)
Umur Lampu – 2-4.000 jam
Kelebihan
Lebih kompak
Umur lebih panjang
Lebih banyak cahaya
Cahaya lebih putih (suhu warna lebih tinggi)
Kekurangan
Lebih mahal
IR meningkat
UV meningkat
Masalah handling
Lampu Neon Ciri-ciri lampu Neon Lampu neon, 3 hingga 5 kali lebih efisien daripada lampu pijar standar dan dapat bertahan 10 hingga 20 kali lebih awet. Dengan melewatkan listrik melalui uap gas atau logam akan menyebabkan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang tertentu sesuai dengan komposisi kimia dan tekanan gasnya. Tabung neon memiliki uap merkuri bertekanan rendah, dan akan memancarkan sejumlah kecil radiasi biru/ hijau, namun kebanyakan akan berupa UV pada 253,7nm dan 185nm. Bagian dalam dinding kaca memiliki pelapis tipis fospor, hal ini dipilih untuk menyerap radiasi UV dan meneruskannya ke daerah nampak. Proses ini memiliki efisiensi sekitar 50%. Tabung neon merupakan lampu ‘katode panas’, sebab katode dipanaskan sebagai bagian dari proses awal. Katodenya berupa kawat pijar tungsten dengan sebuah lapisan barium karbonat. Jika dipanaskan, lapisan ini akan mengeluarkan elektron tambahan untuk membantu pelepasan. Lapisan ini tidak boleh diberi pemanasan berlebih sebab umur lampu akan berkurang. Lampu menggunakan kaca soda kapur yang merupakan pemancar UV yang buruk. Jumlah merkurinya sangat kecil, biasanya 12 mg. Lampu yang terbaru menggunakan amalgam merkuri, yang kandungannya sekitar 5 mg. Hal ini memungkinkan tekanan merkuri optimum berada pada kisaran suhu yang lebih luas. Lampu ini sangat berguna bagi pencahayaan luar ruangan karena memiliki fitting yang kompak.
Gambar 8.3. Lampu neon dan efisiensi energinya Pengaruh suhu Operasi lampu yang paling efisien dicapai bila suhu ambien berada antara 20 dan 30°C untuk lampu neon. Suhu yang lebih rendah menyebabkan penurunan tekanan merkuri, yang berarti bahwa energi UV yang diproduksi menjadi semakin sedikit; oleh karena itu, lebih sedikit energi UV yang berlaku sebagai fospor sehingga sebagai hasilnya cahaya yang dihasilkan menjadi sedikit. Suhu yang tinggi menyebabkan pergeseran dalam panjang gelombang UV yang dihasilkan sehingga akan lebih dekat ke spektrum tampak. Makin panjang panjang gelombang UV akan makin sedikit pengaruhnya terhadap fospor, dan oleh karena itu keluaran cahaya pun akan berkurang. Pengaruh keseluruhannya adalah bahwa keluaran cahayanya jatuh diatas dan dibawah kisaran suhu ambien yang optimal. Ciri-ciri lampu neon Halofosfat
Efficacy – 80 lumens/Watt (gir HF menaikan nilai ini sebesar 10%)
Indeks Perubahan Warna –2-3
Suhu Warna – apa saja
Umur Lampu– 7-15.000 jam
Tri-fosfor
Efficacy – 90 lumens/Watt
Indeks Perubahan Warna –1A-1B
Suhu Warna – apa saja
Umur Lampu – 7-15.000 jam
Lampu neon yang kompak Lampu neon kompak yang tersedia saat ini membuka seluruh pasar bagi lampu neon. Lampu lampu ini dirancang dengan bentuk yang lebih kecil yang dapat bersaing dengan lampu pijar dan uap merkuri di pasaran lampu dan memiliki bentuk bulat atau segi empat. Produk di pasaran tersedia dengan gir pengontrol yang sudah terpasang (GFG) atau terpisah (CFN).
Gambar 8.4. Lampu neon kompak Ciri-ciri:
Efficacy – 60 lumens/Watt
Indeks Perubahan Warna – 1B
Suhu Warna – Hangat, Menengah
Umur Lampu – 7-10.000 jam
Lampu Sodium Lampu sodium tekanan tinggi Lampu sodium tekanan tinggi (HPS) banyak digunakan untuk penerapan di luar ruangan dan industri. Efficacy nya yang tinggi membuatnya menjadi pilihan yang lebih baik daripada metal halida, terutama bila perubahan warna yang baik bukan menjadi prioritas. Lampu HPS berbeda dari lampu merkuri dan metal halida karena tidak memiliki starter elektroda; sirkuit balas dan starter elektronik tegangan tinggi. Tabung pemancar listrik terbuat dari bahan keramik, yang dapat menahan suhu hingga 2372F. Didalamnya diisi dengan xenon untuk membantu menyalakan pemancar listrik, juga campuran gas sodium – merkuri.
Gambar 8.5. Lampu Sodium tekanan tinggi Ciri-ciri lampu sodium tekanan tinggi
Efficacy – 50 - 90 lumens/Watt (CRI lebih baik, Efficacy lebih rendah)
Indeks Perubahan Warna – 1 – 2
Suhu Warna - Hangat
Umur Lampu – 24.000 jam, perawatan lumen yang luar biasa
Pemanasan – 10 menit, pencapaian panas – dalam waktu 60 detik
Mengoperasikan sodium pada suhu dan tekanan yang lebih tinggi menjadikan sangat reaktif.
Mengandung 1-6 mg sodium dan 20mg merkuri
Gas pengisinya adalah Xenon. Dengan meningkatkan jumlah gas akan menurunkan merkuri, namun membuat lampu jadi sulit dinyalakan.
Arc tube (tabung pemacar cahaya) didalam bola lampu mempunyai lapisan pendifusi untuk mengurangi silau.
Makin tinggi tekanannya, panjang gelombangnya lebih luas, dan CRI nya lebih baik, efficacy nya lebih rendah.
Lampu sodium tekanan rendah Walaupun lampu sodium tekanan rendah (LPS) serupa dengan sistim neon (sebab keduanya menggunakan sistim tekanan rendah), mereka umumnya dimasukkan kedalam keluarga HID. Lampu LPS adalah sumber cahaya yang paling sukses, namun produksi semua jenis lampunya berkualitas sangat jelek. Sebagai sumber cahaya monokromatis, semua warna nampak hitam, putih, atau berbayang abu-abu. Lampu LPS tersedia dalam kisaran 18-180 watt. Penggunaan lampu LPS umumnya hanya untuk penggunaan luar ruang seperti penerangan keamanan atau jalanan dan jalan dalam gedung, penggunaan watt nya rendah dimana kualitas warnanya tidak penting (seperti ruangan tangga). Walau demikian, karena perubahan warnanya sangat buruk, beberapa daerah tidak mengijinkan penggunaan lampu tersebut untuk penerangan jalan raya. Ciri-ciri lampu sodium tekanan rendah
Efficacy – 100 – 200 lumens/Watt
Indeks Perubahan Warna – 3
Suhu Warna – Kuning (2.200K)
Umur Lampu – 16.000 jam
Pemanasan – 10 menit, pencapaian panas – sampai 3 Menit
Lampu Uap Merkuri Lampu uap merkuri merupakan model tertua lampu HID. Walaupun mereka memiliki umur yang panjang dan biaya awal yang rendah, lampu ini memiliki efficacy yang buruk (30 hingga 65 lumens per watt, tidak termasuk kerugian balas) dan memancarkan warna hijau pucat. Isu paling penting tentang lampu uap merkuri adalah bagaimana caranya supaya digunakan jenis sumber HID atau neon lainnya yang memiliki efficacy dan perubahan warna yang lebih baik. Lampu uap merkuri yang bening, yang menghasilkan cahaya biru-hijau, terdiri dari tabung pemancar uap merkuri dengan elektroda tungsten di kedua ujungnya. Lampu tersebut memiliki efficacy terendah dari keluarga HID, penurunan lumen yang cepat, dan indeks perubahan warna yang rendah.
Disebabkan karakteristik tersebut, lampu jenis HID yang lain telah menggantikan lampu uap merkuri dalam banyak penggunaannya. Walau begitu, lampu uap merkuri masih merupakan sumber yang populer untuk penerangan taman sebab umur lampunya yang mencapai 24.000 jam dan bayangan taman yang hijaunya terlihat seperti gambaran hidup. Pemancar disimpan di bagian dalam bola lampu yang disebut tabung pemancar. Tabung pemancar diisi dengan gas merkuri dan argon murni. Tabung pemancar tertutup di dalam bola lampu yang berada diluarnya, yang diisi dengan nitrogen.
Gambar 8.6. Lampu uap merkuri Ciri-ciri lampu uap merkuri
Efficacy – 50 - 60 lumens/Watt ( tidak termasuk dari bagian L)
Indeks Perubahan Warna – 3
Suhu Warna – Menengah
Umur Lampu – 16.000 – 24.000 jam, perawatan lumen buruk
Gir pengendali alat elektroda ketiga lebih sederhana dan lebih mudah dibuat.
Beberapa negara telah menggunakan MBF untuk penerangan jalan dimana lampu kuning SOX dianggap tidak pantas.
Tabung pemancar mengandung 100 mg gas merkuri dan argon. Pembungkusnya adalah pasir kwarsa.
Tidak terdapat pemanas awal katoda, elektroda ketiga dengan celah yang lebih pendek untuk memulai pelepasan
Bola lampu bagian luar dilapisi fospor. Hal ini akan memberi cahaya merah tambahan dengan menggunakan UV, untuk mengkoreksi bias pelepasan merkuri.
Pembungkus kaca bagian luar mencegah lepasnya radiasi UV
Lampu Kombinasi Lampu kombinasi kadang disebut sebagai lampu two-in-one. Lampu ini mengkombinasikan dua sumber cahaya yang tertutup dalam satu lampu yang diisi gas. Salah satu sumbernya adalah tabung pelepas merkuri kuarsa (seperti sebuah lampu merkuri) dan sumber lainnya adalah kawat pijar tungsten yang disambungkan secara seri. Kawat pijar ini bertindak sebagai balas untuk tabung pelepasan yang menstabilkan arus, jadi tidak diperlukan balas yang lain. Kawat pijar tungsten digulung dengan susunan melingkar pada tabung pelepasan dan dihubungkan dalam susunan seri. Lapisan bubuk fluorescent diletakkan ke bagian dalam dinding lampu untuk mengubah sinar UV yang dipancarkan dari tabung pelepas ke cahaya nampak. Pada penyalaan, lampu hanya memancarkan cahaya dari kawat pijar tungsten, dan selama perjalanan sekitar 3 menit, pemancar didalam tabung pelepas melesat mencapai keluaran cahaya penuh. Lampu ini cocok untuk area anti nyala dan dapat disesuaikan dengan perlengkapan lampu pijar tanpa modifikasi. Ciri-ciri lampu kombinasi
Nilainya biasanya 160 W
Efficacy 20 hingga 30 Lm/W
Faktor daya tinggi 0,95
Umur 8000 jam
Gambar 8.7 Lampu kombinasi Lampu Metal Halida
Halida bertindak sama halnya dengan siklus halogen tungsten. Manakala suhu bertambah maka terjadi pemecahan senyawa halida melepaskan logam ke pemancar. Halida mencegah dinding kuarsa diserang oleh logam-logam alkali.
Gambar 8.8. Lampu Metal Halida Ciri-ciri lampu metal halida
Efficacy – 80 lumens/Watt
Indeks Perubahan Warna – 1A –2 tergantung pada campuran halida
Suhu Warna – 3.000K – 6.000K
Umur Lampu – 6.000 – 20.000 jam, perawatan lumen buruk
Pemanasan – 2-3 menit, pencapaian panas – dalam waktu 10-20 menit
Pemilihan warna, ukuran, dan nilainya lebih besar untuk MBI daripada jenis lampu lainnya. Jenis ini merupakan versi yang dikembangkan dari dua lampu pelepas dengan intensitas tinggi, dan cenderung memiliki efficacy yang lebih baik
Dengan menambahkan logam lain ke merkuri, spektrum yang berbeda dapat dipancarkan
Beberapa lampu SBI menggunakan elektroda ketiga untuk memulai penyalaan, namun untuk yang lainnya, terutama lampu peraga yang lebih kecil, memerlukan denyut penyalaan tegangan tinggi
Lampu LED Lampu LED merupakan lampu terbaru yang merupakan sumber cahaya yang efisien energinya. Ketika lampu LED memancarkan cahaya nampak pada gelombang spektrum yang sangat sempit, mereka dapat memproduksi “cahaya putih”. Hal ini sesuai
dengan kesatuan susunan merah-biru hijau atau lampu LED biru berlapis fospor. Lampu LED bertahan dari 40.000 hingga 100.000 jam tergantung pada warna. Lampu LED digunakan untuk banyak penerapan pencahayaan seperti tanda keluar, sinyal lalu lintas, cahaya dibawah lemari, dan berbagai penerapan dekoratif. Walaupun masih dalam masa perkembangan, teknologi lampu LED sangat cepat mengalami kemajuan dan menjanjikan untuk masa depan. Pada cahaya sinyal lalu lintas, pasar yang kuat untuk LED, sinyal lalu lintas warna merah menggunakan lampu 10W yang setara dengan 196 LEDs, menggantikan lampu pijar yang menggunakan 150W. Berbagai perkiraan potensi penghematan energi berkisar dari 82% hingga 93%. Produk pengganti LED, diproduksi dalam berbagai bentuk termasuk batang ringan, panel dan sekrup dalam lampu LED, biasanya memiliki kekuatan 2-5W masing-masing, memberikan penghematan yang cukup berarti dibanding lampu pijar dengan bonus keuntungan masa pakai yang lebih lama, yang pada gilirannya mengurangi perawatan. VIII.3. Komponen Pencahayaan Luminer/ Reflektor Elemen yang paling penting dalam perlengkapan cahaya, selain dari lampu, adalah reflector. Reflektor berdampak pada banyaknya cahaya lampu mencapai area yang diterangi dan juga pola distribusi cahayanya. Reflektor biasanya menyebar (dilapisi cat atau bubuk putih sebagai penutup) atau specular (dilapis atau seperti kaca). Tingkat pemantulan bahan reflektor dan bentuk reflektor berpengaruh langsung terhadap efektifitas dan efisiensi fitting. Reflektor konvensional yang menyebar memiliki tingkat pemantulan 70-80% apabila baru. Bahan yang lebih baru dengan daya pemantulan yang lebih tinggi atau semi-difusi memiliki daya pemantulan sebesar 85%. Pendifusi/Diffuser konvensional
menyerap
cahaya
lebih
banyak
dan
menyebarkannya
daripada
memantulkannya ke area yang dikehendaki. Lama kelamaan nilai daya pantul dapat berkurang disebabkan penumpukan debu dan kotoran dan perubahan warna menjadi kuning disebabkan oleh sinar UV. Reflektor specular lebih efektif dimana pemantul ini memaksimalkan optik dan daya pantul specular sehingga membiarkan pengontrolan cahaya yang lebih seksama dan jalan pintas yang lebih tajam. Dalam kondisi baru, lampu ini memiliki nilai pantul sekitar 85-96%. Nilai tersebut tidak berkurang seperti pada
reflektor konvensional yang berkurang karena usia. Bahan yang umum digunakan adalah alumunium yang diberi perlakuan anoda (nilai pantul 85-90%) dan lapisan perak yang dilaminasikan ke bahan logam (nilai pantul 91-95%). Menambah (atau melapisi) alumunium dilakukan untuk mencapai nilai pantul lebih kurang 88-96%. Lampu harus tetap bersih agar efektif, reflektor optik kaca tidak boleh digunakan dalam peralatan yang terbuka di industri dimana peralatan tersebut mungkin akan terkena debu.
Gambar 8.9. Reflektor Gir Gir yang digunakan dalam peralatan pencahayaan adalah sebagai berikut: Balas Suatu alat yang membatasi arus, untuk melawan karakteristik tahanan negatif dari berbagai lampu pelepas. Untuk lampu neon, alat ini membantu meningkatkan tegangan awal yang diperlukan untuk memulai penyalaan. Ignitors Digunakan untuk penyalaan awal lampu Metal Halida dan uap sodium intensitas tinggi.
Gambar 8.10. Tabel jenis-jenis lampu VIII.4. Merancang Sistim Pencahayaan Berapa banyak cahaya yang diperlukan? Setiap pekerjaan memerlukan tingkat pencahayaan pada permukaannya. Pencahayaan yang baik menjadi penting untuk menampilkan tugas yang bersifat visual. Pencahayaan yang lebih baik akan membuat orang bekerja lebih produktif. Membaca buku dapat dilakukan dengan 100 to 200 lux. Hal ini merupakan pertanyaan awal perancang sebelum memilih tingkat pencahayaan yang benar. CIE (Commission International de l’Eclairage) dan IES (Illuminating Engineers Society) telah menerbitkan tingkat pencahayaan yang direkomendasikan untuk berbagai pekerjaan. Nilai nilai yang direkomendasikan tersebut telah dipakai sebagai standar nasional dan internasional bagi perancangan pencahayaan (Tabel diberikan dibawah). Pertanyaan kedua adalah mengenai kualitas cahaya. Dalam kebanyakan konteks, kualitas dibaca sebagai perubahan warna.
VIII. 4. Rancangan pencahayaan untuk interior Tahap 1: Tentukan penerangan yang diperlukan pada bidang kerja, jenis lampu dan luminer Pengkajian awal harus dibuat terhadap jenis pencahayaan yang dibutuhkan, seringkali keputusan dibuat sebagai fungsi dari estetika dan ekonomi. Untuk pekerjaan kantor yang normal, dibutuhkan pencahayaan 200 lux. Untuk ruang kantor yang berAC, dipilih lampu neon 36 W dengan tabung kembar. Luminernya berlapis porselen yang cocok untuk lampu yang diletakkan diatas. Penting untuk memperoleh tabel faktor penggunaan untuk luminer ini dari pembuatnya untuk perhitungan lebih lanjut. Tahap 2: Kumpulkan data ruangan dalam format seperti dibawah ini
Tahap 3. Perhitungan indeks ruangan.
(8.3.) Tahap 4: Perhitungan Faktor Penggunaan Faktor penggunaan didefinisikan sebagai persen dari lumen lampu kosong yang mengeluarkan cahaya dan mencapai bidang kerja. Faktor ini bertanggungjawab langsung terhadap cahaya dari luminer dan cahaya yang dipantulkan permukaan ruangan. Fihak pabrik akan memasok setiap luminer dengan tabel CU nya sendiri yang berasal dari laporan pengujian fotometrik. Dengan menggunakann tabel yang tersedia dari pabrik, ditentukan faktor penggunaan untuk pemasangan berbagai cahaya jika pantulan dari dinding dan langit-langit diketahui, indeks ruangan telah ditentukan dan jenis luminer diketahui. Untuk peralatan tabung kembar, faktor pengunaannya adalah 0,66, sesuai untuk indeks ruangan 2,5.
Tahap 5: Perhitungan jumlah fitting yang diperlukan Rumus yang digunakan dalam perhitungan ini adalah sebagai berikut :
(8.4) N = Jumlah fitting E = Tingkat lux yang diperlukan pada bidang kerja A = Luas ruangan (L x W) F = Flux total (Lumens) dari seluruh lampu dalam satu fitting UF = Faktor penggunaan dari tabel untuk peralatan yang digunakan LLF = Faktor kehilangan cahaya. Kehilangan ini disebabkan oleh penurunan keluaran lampu yang sudah lama dan penumpukan kotoran pada peralatan dan dinding bangunan. LLF = Lumen lampu MF x Luminer MF x Permukaan ruangan MF Misalnya N = 200 ×100 2 × 3050 × 0,66 × 0,8= 6,2; Sehingga, lampu tabung kembar nomor 6 diperlukan. Jumlah total lampu 36-Watt adalah 12. Tahap 6: Ruang luminer untuk mencapai keseragaman yang dikehendaki Setiap luminer akan memiliki ruang yang direkomendasikan terhadap perbandingan tinggi. Pada metodologi perancangan sebelumnya, perbandingan keseragaman, yakni perbandingan terang minimum terhadap terang rata-rata dijaga pada 0,8 dan ruang yang cocok untuk perbandingan tinggi ditentukan untuk mencapai keseragaman. Dalam perancangan modern memadukan efisiensi energi dengan tugas pencahayaan, konsep yang muncul adalah memberi keseragaman 1/3 hingga 1/10 tergantung pada tugasnya. Nilai luminer diatas yang direkomedasikan adalah 1,5. Jika perbandingan aktual lebih dari nilai yang direkomendasikan, keseragaman pencahayaan akan menjadi lebih kecil. Contoh untuk peralatan yang pantas, mengacu ke gambar 12. Luminer yang lebih dekat ke dinding besarnya harus setengah atau lebih kecil dari jarak spasi.
Jarak spasi antara luminer = 10/3 = 3,33 meters
Tinggi mounting = 2,0 m
Perbandingan jarak spasi terhadap tinggi = 3,33/2,0 = 1,66
Nilai ini mendekati batas yang ditentukan, jadi diterima.
Akan lebih baik bila memilih luminer dengan SHR yang lebih besar. Hal ini akan mengurangi jumlah peralatan dan beban pencahayaan yang terhubung. VIII.5. Tingkat Pencahayaan Yang Direkomendasikan Untuk Berbagai Tugas/ Kegiatan/ Lokasi Pencahayaan minimum untuk seluruh interior yang bukan untuk pekerjaan, telah disebutkan sebesar 20 Lux (seperti pada IS 3646). Faktor sekitar 1,5 merupakan perbedaan terkecil yang cukup berarti pada efek pencahayaan subjektif. Oleh karena itu direkomendasikan skala pencahayaan berikut. Detail untuk standar ini ada dalam lampiran.
IX. DISAIN PENCAHAYAAN ALAMI •
Daylight mempunyai dua komponen yaitu cahaya matahari (sunlight) dan cahaya langit (skylight). Sebagian besar dari desain pencahayaan alami berusaha untuk mendapatkan cahaya matahari.
•
Pada siang hari yang cerah besar cahaya sebesar 100000 lumen dapat mengenai luasan sebesar 1 m2 yang berarti besarnya illuminasi sebesar 100000 lux. Jika efisiensi pencahayaan alami sebesar 100% maka dengan itu akan sangat cukup untuk menerangi ruangan sebesar 100m2 dengan illuminasi sebesar 1000 lux.
•
Tantangan dari pencahayaan alami sebenarnya adalah meningkatkan efisiensi, atau dengan kata lain meminimalkan area tangkapan cahaya. Tidak ada pencahayaan alami yang mempunyai efisiensi 100%
•
Pencahayaan
alami
dikatakan
sukses
dengan
dua
hal
yaitu
dengan
memaksimalkan level pencahayaan di dalam ruangan dan juga mengoptimalkan kualitas peneragannya. Jadi tidak melulu bicara masalah banyaknya cahaya yang masuk, banyak cahaya bisa tidak menyehatkan (glare) •
Satu kata kunci untuk pencahayaan alami adalah control yaitu pengontrolan tingkat pencahayan, arah dan distribusinya.
IX.1. Model pencahayaan alami Secata garis besar pencahayaan alami dibagi menjadi 2 •
tangkapan atas ( contoh skylight)
•
tangkapan samping (contoh jendela)
Sidelighting system •
Sebagian besar dari desain ini saat ini adalah untuk mengatasi problem dari ketidakseimbangan distribusi cahaya yang dihasilkan dari jendela tradisional.
•
Sidelighting akan efektife manakala bisa mengurangi cahaya yang berlebih di dekat jendela dan memberikan lebih cahaya ke dalam ruang
•
Contoh dari desain ini adalah pemberian lightshelves, prisms atau mirrored louvers yang mampu memantulkan cahaya dari samping jendela ke arah lebih dalam.
Jendela •
Jendela tradisional cenderung membentuk area terpapar sinar di sekitarnya dan dimmer di bagian sisanya lebih-lebih ketika ruangan cukup dalam.
•
Distribusi cahaya yang dihasilkan tergantung pada kondisi langit. Kondisi langit overcast mampu memberikan distribusi cahaya yang lebih dalam dari pada kondisi clear sky. Dalam keadaan ini bayangan cenderung agak halus dan silau juga agak besar karena keadaan langit yang sangat cerah.
•
Disamping kondisi langit beberapa hal yang berpengaruh terhadap dalamnya penetrasi cahaya ke dalam ruang adalah letak posisi cendela, tingginya dalam tembok dan juga lebar.
•
Pembahasan lebih lanjut bisa dilihat di IESNA tentang rule of the thumb dari dalamnya penetrasi cahaya sebagai fungsi dari lokasi jendela.
•
Secara garis besar kedalaman dari penetrasi cahaya adalah dalam ranah 1.5 sampai dengan 2 kali tinggi kepala jendela.
•
Disamping tinggi jendela, luasan juga berpengaruh.
•
Jendela tunggal cenderung menghasilkan glare krn kontras yang terjadi antara cerahnya jendela dan gelapnya sekeliling jendela bagian dalam.
•
Lebih baik dengan menggunakan dua jendela dari arah yang berlawanan sehingga menghasilkan cahaya yang lebih seimbang
Gambar 9.1. Kedalaman cahaya masuk merupakan fungsi dari ketinggian jendela
Gambar 9.2. Kedalaman cahaya masuk merupakan fungsi dari lebar jendela
Gambar 9.3. Kombinasi antara jendela dan clerestory menghasilkan kombinasi yang lebih baik
Gambar 9.4. Dua jendela dari sisi yang berbeda juga memperpanjang penetrasi sekaligus mengurangi glare
Lighf self Light self adalah sebuah device yang didisain untuk menangkap cahaya matahari dan diteruskan ke ruangan yang lebih dalam. Hasilnya akan lebih memperdalam penetrasi dan keseimbangan pencahayaan dibandingkan hanya menggunakan jendela biasa.
Gambar 9.5. Light self Keuntungan yang lain yaitu mampu menutup cahaya langsung (shade) sehingga mengurangi glare. Lightshelf bekerja optimal dalam kondisi sunlight Material untuk lightself harus menggunakan yang mempunyai reflekivitas tinggi dan jangan menggunakan material spicular (highly polished) untuk mencegah glare dan spot di langit-langit
Gambar 9.6. Eksterior dan Interior Lightself jika dibandingkan dengan jendela biasa Eksterior Lightself lebih efektif dalam memberikan shading dibandingkan interior tetapi merefleksikan lebih sedikit cahaya ke dalam ruang
Light self miring
Gambar 9.7. Lighself miring Variable lighself
Gambar 9.8. Lighself variabel Light self jenis ini bisa digunakan secara variable di atur dalam dua posisi untuk mendapatkan efisiensi yang lebih besar
Louvers Louvers mempunyai fungsi yang sama yaitu menangkap cahaya untuk kemudian memantulkannya ke belakang. Louvers bisa didisain secara statis dan juga dinamis, dan bekerja optimal di bawah kondisi sunlight. Dalam mode automatic, maka algoritma program harus disesuaikan dengan kondisi kebutuhan penerangan, waktu dan juga heating, cooling sistem
Gambar 9.9. Louvers Prismatic glazing Prismatic glazing didisain untuk mengubah arah dari cahaya matahari dengan dasar refraksi dan refleksi. Cahaya matahari ketika menyentuh panel kemudian diubah karena prinsip refraksi, sebagian darinya kemudian direfleksikan ke langit-langit dan ke lantai sebelah dalam. Secara prinsip kaca prisma bisa dipasang di bagian atas dari jendela atau diantara dua kaca untuk memudahkan pemeliharaan dari debu.
Gambar 9.10. Prismatic glazing Penggunaan kaca prisma ini bukan hal yang baru, tetapi lebih sering digunakan dalam lampu untuk membuat efek scatter dan mendistribusikannya lebih optimal. Pada aplikasi pencahayaan alami memang terbatas dan masih dalam riset yang lebih serius. Anidolic Zenithal Collector Systems
Gambar 9.11. Anidolic Zenithal Collector Systems Konsep ini menggunakan dua buah cermin parabolic yang mendapakan sinar matahari dan menyampaikannya ke dalam ruangan. Sistem ini bisa digabungkan dengan light duct untuk menangkap cahaya dan didistribusikan ke dalam dengan cara yang lebih terkontrol.
Toplighting System •
Skylight system merupakan model yang paling sederhana. Yaitu berupa bukaan kaca horisontal yang menangkap cahaya dari luar dan mendistribusikannya ke dalam. Konsep ini hanya bisa digunakan di lantai paling atas dalam perumahan bertingkat.
Gambar 9.12. Skylight system •
Skylight dengan menggunakan reflektor menjadikan distribusi cahaya lebih merata
Gambar 9.13. Skylight system dengan reflektor •
Rule of the thumb pemasangan skylight untuk mendapatkan keseragaman cahaya
Gambar 9.14. Rule of the thumb pemasangan skylight
Roof Monitor dan Sawtooth •
Roof monitor dan sawtooth berbeda dalam bentuk dan model, dan biasanya digunakan untuk menangkap cahaya matahari dalam kurun waktu tertentu, yaitu dalam hari atau bulan tertentu. Semisal untuk menghindari cahaya musim panas sementara menangkap cahaya matahari di musim dingin.
Gambar 9.14. Monitor Roof dan Sawtooth •
Dua sisi dari monitor roof dan cahaya yang dihasilkan juga lebih merata
Gambar 9.15. Monitor roof dua sisi dan distribusi cahayanya
Light pipe system •
Light pipe sistem adalah sebuah strategi untuk membawa cahaya masuk ke dalam ruangan di sebuah bangunan bertingkat.
•
Jenis ini sangat beragam dari yang paling sederhana sampai yang canggih.
•
Komponen yang ada adalah: solar kolektor, yang menangkap cahaya, konsentrator yang memfokuskan cahaya ke media yang lebih sempit, dan media transport dan distribusi
Gambar 9.16. Light Pipe System
Komponen Light Pipe System
Gambar 9.17. Sun Tracking Mirror Heliodon dan pipa pengangkut cahaya Prinsip Prinsip Dasar Daylighting 1. Dimulai dari gambar disain rumah, yang memungkinkan semua tempat kerja atau kamar mendapatkan akses dari jendela, skylight, atau sumber daylighting yang lain. Berikan perhatian lebih pada jendela yang memberikan view. Perhatikan bahwa area efektif daylighting hanya 2 kali lebar dari jendela atau 22.5 kali tinggi dari jendela itu 2. Minimalkan ukuran lebar barat-timur bangunan, dan maksimalkan ukuran utaraselatan, Karena posisi matahari yang berubah-ubah, sangat sulit untuk mendisain jendela yang menghadap timur atau barat. Jendela yang menghadap ke utara di bagian bumi bagian utara jelas tidak bermasalah dengan beban panas. Dan jendela yang menghadap ke selatan akan sangat mudah di proteksi dengan overhangs, awning atau lightselves. 3. Jika beberapa area bangunan tidak dekat dengan jendela, perlu di investigasi penggunaan top-light skylights di one-story buildings atau di bagian puncak dari gedung bertingkat. Top-light skylights yang sederhana, yaitu sekitar 3% sampai 5% dari total luas atap akan mampu memenuhi kebutuhan penerangan interior.
4. Jaga interior dari cahaya alami yang terlalu banyak—sekitar 2.5 kali lebi besar daripada level penerangan lampu—dengan menggunakan kaca jendela yang tepat, exterior shading devices, interior shading devices, atau kombinasi dari ketiganya. 5. Sediakan juga lampu listrik, atau sistem kontrol yang hemat energi. Cara yang terbaik adalah dengan membuat dim, dari pada menggunakan model on-off. Sistem fluorescent dimming modern memungkinkan pengontrolan daylighting dan juga penggunaan energy-efficient fluorescent dan compact fluorescent lighting.
