Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012
ISSN 0216-7492
Kajian Aplikasi Efek Dingin Udara Subuh untuk Pengkondisian Udara Ruangan; Studi Kasus di Kota Medan Himsar Ambarita Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Jl. Almamater , Kampus Padang Bulan, 20155 Medan, Sumuatera Utara Abstract In recent years, residential and comercial buildings in typical city of Indonesia such as Medan consume a huge amount of high grade energy for ventilation and air conditioning systems. Air conditioning system, renewable energy powered, is expected to play an important role in order to reduce high grade energy consumption. The present study promotes the posstibility of using the cooling effect resulting from ambient temperature in daybreak. The water is cooled by ambient as a thermal cold storage, the cool water is then transfer into the conditioned space. The measurements of the following parameters ambient temperature, relative humidity, solar radiation, wind speed have been performed using HOBO microstation in every minute for 3 months. The results show that ambient in daybreak can provide cooling o water with temperature of lower than 23 C. Commercial CFD is used to simulate cooling process by using this cold water. The simulation results shows that maximum ambient o o temperature of 30.39 C can be cooled up to 26.1 C. In other words, the maximum temperature o in the room can be decreased in order of 4.8 C. The main conclusion can be drawn here is that cooling effect in the ambient temperature can be used to provide cooling air for conditioned room.
Keywords: Zero Energy Building, Natural Cooling, CFD
I.
Pendahuluan
Bangunan memiliki konstribusi yang signifikan terhadap penggunaan energi dari fosil. Beberapa hasil penelitian dan laporan mendukung fakta ini. Bangunan komersial dan perumahan menggunakan hampir 40% dari energi primer dan 70% dari listrik di Amerika Serikat data ini diambil dari Energy Information Administration (EIA 2005) [1]. Pemakaiaan listrik di sektor bangunan komersial telah berkembang dua kali lipat antara tahun 1980 dan 2000, dan diperkirakan akan meningkat 50% lagi pada tahun 2025 (EIA 2005). Diperkirakan komposisi yang sama juga berlaku untuk Indonesia. Mengingat besarnya konsumsi energi pada bangunan, maka program efisiensi energi dan pencarian sumber-sumber energi baru/alternatif untuk konsumsi gedung telah banyak mendapat perhatian para peneliti.
Salah satu solusi berkelanjutan yang diajukan dan sedang banyak diteliti adalah konsep Zero Energy Buildings (ZEB). Istilah ZEB untuk bangunan atau rumah digunakan untuk mendefenisikan sebuah bangunan yang secara optimal memanfaatkan energi terbarukan di sekitar rumah dan teknologi efisiensi energi sehingga secara total bangunan tersebut tidak mengkonsumsi energi yang berasal dari fosil. Sumber-sumber energi terbarukan yang mungkin dapat dimanfaatkan antara lain: energi angin, radiasi surya, curah hujan, dan temperatur harian [2]. Beberapa peneliti telah melakukan penelitian dan melaporkan hasil penelitiannya tentang ZEB [2-10]. Pada penelitian-penelitian tersebut sumber energi terbarukan yang umum digunakan adalah energi angin dan energi surya. Sejauh studi literatur yang telah dilakukan, untuk sementara belum ada ditemukan laporan konsep ZEB untuk Indonesia.
50
Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012
ISSN 0216-7492
Bagi gedung perkantoran dan pusat pertokoan di kota-kota besar Indonesia, seperti Jakarta, Surabaya, dan Medan, konsumsi listik untuk pengkondisian udara atau Air Conditioner (AC) adalah yang terbesar. Suwono [11] menyebutkan sekitar 60% konsumsi listrik hotel di Jakarta digunakan untuk memasok energi pada mesin AC. Menurut survei yang dilakukan oleh Agus P. Sari (2005) pada hotel Melati di Jakarta, diperoleh 51% pada penggunaan AC, 7% pada penggunaan kulkas, 5% pada penggunaan TV, 10% pada penggunaan pompa air, 10% pada penggunaan pompa air, 10% pada penggunaan chiller dapur,14% pada penggunaan penerangan, 3% pada penggunaan Exhaust.[11]. Karena karakteristik udara di kota Medan juga cenderung panas dan lembab (humid) maka rumah tinggal banyak menggunakan listrik untuk pengkondisian udara agar lebih nyaman. Konsumsi energi listrik yang besar untuk pengkondisian udara ini harus dikurangi. Hal-hal tersebut diatas adalah yang melatar-belakangi penelitian ini. Konsep ZEB akan dipelajari kemungkinan penerapannya untuk kota Medan. Sumber energi yang disulkan di sini adalah pemanfaatan efek dingin yang terdapat pada udara subuh untuk dimanfaatkan sebagai medium pendingin udara untuk keesokan harinya. Hasil yang diharapkan dari penelitian ini antara lain memperkenalkan konsep Zero Energy Building untuk melakukan pengembangan kebijakan energi berkelanjutan (sustainable energy policy).
dialirkan ke langit-langit ruangan yang akan didinginkan. Untuk mendapatkan potensi efek dingin pada udara subuh, temperatur harian udara kota Medan telah diukur. Data hasil pengukuran menunjukkan temperatur paling tinggi terjadi pada pukul 14.00 sampai pukul 16.00, dan temperatur terendah terjadi pada pukul 4.00 sampai pukul 6.00 pagi hari, yang dapat mencapai 230C.
II. Sistem dan Metode Pada penelitian ini sumber energi yang akan dimanfaatkan untuk melakukan pendinginan adalah temperatur dingin yang terdapat pada udara subuh. Temperatur udara ini akan digunakan untuk mendinginkan air sebagai thermal storage. Proses pendinginan akan dilakukan di atap rumah/gedung yang digunakan. Pada pagi hari setelah mendapat pendinginan yang maksimum, air dingin ini akan
2.1 Sistem yang diusulkan Proses penggunaan efek dingin udara subuh untuk mendinginkan air sebagai media pendingin yang digunakan untuk pengkondisian udara pada sebuah rumah dapat dilihat pada skema Gambar 1(a) dan 1(b), dimana air yang sudah didinginkan oleh udara dingin pada pagi hari atau subuh, akan diturunkan ke dalam kontainer untuk mengkondisikan udara pada siang hari yang terlihat pada Gambar 1(a). Setelah temperaturnya turun atau dingin, air tersebut akan diturunkan ke langit-langit ruangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1(b). Setelah digunakan sebagai pendingin, air ini akan dikembalikan lagi ke atap gedung untuk mendapatkan pendinginan kembali. Penelitian ini dibagi atas dua tahapan, yaitu pengukuran dan simulasi numerik. Pada tahapan pertama pengukuran bertujuan untuk mendapatkan potensi temperatur minimum yang mungkin didapat pada rumah tinggal/gedung yang ada di kota Medan. Setelah melakukan pengukuran, tahap kedua menggunakan perangkat lunak CFD untuk melakukan simulasi pendinginan ruangan dengan menggunakan temperatur hasil pengukuran di tahap pertama. Proses simulasi akan dilakukan pada saat kontainer telah disisi oleh air dingin pada sebuah ruangan. Data tambahan yang akan digunakan pada penelitian ini diambil dari sebuah rumah tinggal yang ada di komplek cemara hijau, kota Medan.
51
Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012
(a) Proses pendinginan dengan udara subuh
ISSN 0216-7492 ukur Station data logger HOBO Micro Station dengan interval pembacaan setiap 1 menit. Data yang diambil berupa temperatur udara harian (0C), kecepatan angin (m/s), radiasi surya (W/m2), dan kelembaban relatif RH (%). Pada saat pengukuran temperatur udara lingkunga, dilakukan juga pengukuran temperatur air yang dimasukkan dalam kontainer yang diletakkan pada tempat terbuka. Tujuan pengukuran ini untuk mengetahui potensi pendinginan udara atmosfer pada dini hari yang nantinya akan dimanfaatkan sebagai media pendingin untuk mengkondisikan udara dalam ruangan. Pengukuran air pengisi kontainer ini, juga dilakukan di lingkungan Departemen Teknik Mesin FT-USU selama 2 minggu dari tanggal 26 November sampai dengan tanggal 11 Desember 2011. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan kontainer mini sebagai wadah penampungan air. Proses pengukuran dilakukan dengan menggunakan termokopel tipe T dan hasilnya disimpan dengan menggunakan data logger Agilent. 2.3 Simulasi Numerik
(b) Proses pendinginan ruangan Gambar 1 Skema siklus pendingin dengan memanfaatkan efek dingin udara subuh 2.2 Metode Pengukuran Pengukuran pada penelitian ini dilakukan di Gedung Pascasarjana Departemen Teknik Mesin, FT USU lantai 4 selama 9 bulan. Proses pengukuran dimulai dari bulan Juni 2011 hingga bulan Februari 2012. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan alat
Simulasi ini dilakukan untuk mengetahui distribusi temperatur di ruangan yang dikondisikan akibat adanya penambahan kontainer yang memuat air yang didinginkan oleh udara subuh. Oleh karena itu, tahapan simulasi dibagi dua: tahap pertama adalah silumasi pada ruangan tanpa pemasangan kontainer, dan kedua sesudah dipasang kontainer. Pada proses simulasi ini, sirkulasi udara yang terjadi adalah akibat konveksi natural. Dengan kata lain, gerakan udara diakibatkan oleh perbedaan kerapatan. Simulasi dimulai dengan melakukan pemodelan (meshing) yang akan digunakan sebagai domain komputasi, diskritisasi, penetapan kondisi batas, penetapan kondisi operasi, dan proses iterasi. Data-data pengukuran digunakan dalam simulasi ini. Udara di dalam ruangan merupakan gas ideal, dan incompressible. Asumsi-asumsi yang
52
Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012 digunakan adalah aliran laminar, unsteady, dua dimensi, dan gravitasi 9,81 kg/ms2. Pemodelan gaya apung tidak menggunakan pendekatan Boussinesq seperti yang umum digunakan untuk menyelesaikan kasus konveksi natural. Tetapi, pendekatan yang digunakan adalah perbedaan kerapatan yang merupakan fungsi temperatur dan dihitung dengan menggunakan persamaan gas ideal. Dengan menggunakan asumsi ini, maka persamaan pembentuk aliran (governing equations) yang akan dianalisis adalah: a. Persamaan kontinuitas: U i (1) 0 x j b. Persamaan momentum: U i U jU i P t x j xi x j
U i g i x j
c. Persamaan energy T U jT k T t xi xi c p xi
(2)
(3)
Persamaan pembentuk aliran ini dituliskan dalam bentuk tensor, dimana j dan i 1,2 , angka 1 menyatakan arah -x dan angka 2 menyatakan arah -y. Dimana t adalah waktu, xi adalah kordinat Cartesian pada arah - i, adalah densitas udara, T adalah temperatur, P adalah tekanan, adalah viskositas udara, g i adalah percepatan gravitasi pada arah -i. Persamaan pembentuk aliran (governing equations) akan didiskritisasi dengan menggunakan teknik volume atur (disebut grid). Pada proses diskritisasi persamaan momentum dan persamaan energi, digunakan orde pertama upwind scheme. Untuk mengkopling medan kecepatan dan medan tekanan digunakan algoritma SIMPLE. Perhitungan (iterasi) akan dihentikan jika kriteria konvergen telah dipenuhi. Perhitungan disebut konvergen jika residu permaan kontinuitas 10-4, residu momentum, dan energi lebih kecil dari 10 6 atau berapapun iterasi yang dilakukan hasilnya berulang.
ISSN 0216-7492 III. Hasil dan Diskusi Seperti yang telah disebutkan bahwa tahap penelitian ini terdiri dari dua tahap. Pertama tahap pengukuran dan kedua simulasi numerik. Hasil dari masingmasing tahap akan didiskusikan pada bagian ini. 3.1 Hasil minimum
pengukuran
temperatur
Pengukuran telah dilakukan selama 9 bulan dimulai dari bulan Juni 2011 sampai dengan bulan Februari 2012. Hasil pengukuran temperatur udara selama 9 bulan tersebut ditampilkan pada Gambar 2. Pada gambar dapat dilihat bahwa temperatur minimum sangat bervariasi. Meskipun bervariasi, tetapi umumnya kurang dari 25oC. Bahkan untuk beberapa hari terdapat temperatur yang sangat rendah, dapat mencapai 21oC. Perbedaan ini diperkirakan akibat dari pengaruh cuaca yang memang berbeda. Sementara secara umum temperatur harian di Kota Medan pada siang hari dapat mencapai 35oC. Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil pengukuran ini adalah temperatur dingin ini dapat dimanfaatkan untuk mendinginkan air sebagai medium pendingin udara di siang hari.
Gambar 2 Temperatur udara minimum kota Medan Seperti yang telah disebutkan, bahwa udara dingin ini akan digunakan untuk mendinginkan air yang nantinya
53
Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012
ISSN 0216-7492
akan digunakan sebagai medium pendingin. Untuk mengetahui hubungan temperatur air pendingin dan udara lingkungan, pada penelitian ini juga dilakukan pengukuran temperatur air yang dimasukkan ke dalam kontainer. Temperatur air dan temperatur udara lingkungan hasil pengukuran satu hari pada tanggal 2 Desember 2011 ditampilkan pada Gambar 3.
Hasil pengukuran akan digunakan sebagai kondisi batas untuk melakukan simulasi numerik. Proses simulasi dibagi dua bagian, pertama temperatur ruangan disimulasikan tanpa adanya air sebagai medium pendingin. Kemudian pada bagian kedua, air hasil pendinginan udara subuh dipompakan ke langit-langit dan simulasi diulangi lagi. Proses simulasi dimulai pukul 8.00 sampai dengan pukul 18.00. Perangkat lunak CFD digunakan untuk melakukan simulasi terhadap temperatur ruangan tersebut. Temperatur rata-rata ruangan sebelum dan sesudah dipasang kontainer ditunjukan pada Gambar 4.
Gambar 3 Temperatur udara dan air pada 2 Desember 2011 Pada Gambar 3 dapat dilihat, bahwa temperatur air akan turun pada malam hari dan naik pada siang hari. Hal ini terjadi karena air ini didinginkan malam hari dan dipanaskan kembali oleh udara atmosfer di siang hari. Fakta yang perlu dicatat di sini adalah temperatur minimum air lebih rendah daripada temeratur minimum udara. Pada gambar temperatur minimum udara adalah sekitar 24oC sementara temperatur minimum air adalah 23oC. Dengan kata lain temperatur yang mendinginkan lebih besar dari yang didinginkan. Hal ini bisa terjadi karena air mengalami penguapan. Pada proses penguapannya air akan menyerap panas sebesar panas laten yang akan diserap dari air itu sendiri karena koefisien perpindahan panas pada air lebh baik daripada udara. Pengukuran ini menunjukkan bahwa air pendingin sebagai medium pendingin dapat didinginkan oleh udara lingkungan dengan temperatur yang lebih rendah. 3.2 Hasil Simulasi
Gambar 4 Tempertur rata-rata ruangan hasil simulasi Pada Gambar dapat dilihat bahwa tanpa adanya kontainer sebagai pendingin, temperatur rata-rata ruangan akan naik mengikuti temperatur udara lingkungan. Temperatur maksimum terjadi pada pukul 14.00 WIB sebesar 30,39oC. Setelah dipasang kontainer yang berisi air sebagai hasil pendinginan udara lingkungan pada subuh, temperatur rata-rata ruangan akan turun. Temperatur maksimum ruangan setelah dipasang kontainer adalah sebesar 27,9oC terjadi pada pukul 16.00 WIB. Pada semua rentang waktu simulasi temperatur ruangan dengan kontainer air pendingin selalu lebih rendah dari ruangan tanpa kontainer. Setelah menggunakan kontainer temperatur maksimum ruangan akan berkurang dari 30,9oC menjadi 26,1oC. Dengan kata lain temperatur udara maksimum di ruangan
54
Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012
ISSN 0216-7492
dapat diturunkan sebesar 4,8oC. Penurunan temperatur ini bukanlah suatu hal yang kecil tetapi sangat berarti karena meskipun sudah berada pada temperatur paling maksimum pada pukul 14.00 WIB suasana pagi hari dengan temperatur 26,1oC masih bisa dihasilkan dengan menggunakan kontainer yang didinginkan udara subuh. Distribusi temperatur pada ruangan yang dikondisikan dengan kehadiran kontainer ditampilkan pada Gambar 5. Pada gambar dapat dilihat bahwa temperatur maksimum udara akan berpindah ke bagian bawah ruangan. Hal ini berbeda jika tidak menggunakan kontainer, dimana udara panas yang lebih ringan akan berkumpul di langitlangit ruangan. Akibat pendinginan, maka udara panas ini akan dingin dan menyebabkan sirkulasi secara natural.
a. Hasil pengukuran menunjukkan bahawa udara dingin dapat digunakan untuk mendinginkan air dengan temperatur bahkan lebih dingin daripada udara itu sendiri. b. Air dingin hasil pendinginan ini dapat digunakan untuk mendinginkan udara ruangan yang dikondisikan. c. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa kontainer yang direncanakan dapat menurunkan temperatur udara sebesar 4,80C, pada pukul 14.00, Dimana udara ruangan sebelum pemasangan kontainer adalah sebesar 30,90C, dan temperatur setelah pemasangan kontainer adalah sebesar 26,10C.
Gambar 5 Distribusi temperatur pada ruangan yang dikondisikan
IV. Kesimpulan Pengukuran dan simulasi numerik telah dilakukan untuk mengkaji aplikasi pemanfaatan air dingin sebagai hasil efek dingin yang ada pada udara lingkungan subuh untuk mendinginkan udara ruangan. Pengukuran dilakukan untuk kondisi udara kota Medan dan perangkat lunak CFD digunakan untuk melakukan simulasi terhadap suatu ruangan yang didinginkan dengan air dingin tersebut. Kesimpulan yang didapatkan dari penelitian ini antara lain:
Ucapan Terima Kasih (Acknowledge) Data hasil pengukuran pada penelitian ini dibantu oleh saudara Marco Susanto, mahasiswa bimbingan penulis di Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Penulis mengakui dan mengucapkan terima kasih atas usaha tersebut. Referensi [1] Torcellini P., Pless S., and Deru M., Zero Energy Buildings : A Critical Look at the Definition, Conference Paper, Pacific Grove, California, 2006 [2] Iqbal M. T., A Feasibility Study of A Zero Energy Home In Newfoundland, Renewable Energy 29 (2004) 277-289. [3] Kolokotsa D, Rovas D, Kosmatopouulos, dan Kalaitzakis K, A roadmap toeards intelligent net zero- and positive-energy buildings, Solar Energy 85 (2011) 3067-3084. [4] Robert A dan Kummert M, Designing net-zero energy buildings for the future climate, not for the past, Building and Environment (2012), doi:10.1016/j.buildenv.2011.12.014. [5] Deng S, Dalibard A, Martin M, Dai Y.J, Eicker U, dan Wang R.Z, Energy supply concepts for zero energy residential buildings in humid and dry climate, Energy Conversion and Management 52 (2011) 2455-2460.
55
Jurnal Dinamis,Volume II, No.10, Januari 2012
ISSN 0216-7492
Guilherme C dG, Andre A, dan Maria M.L, Solar powered net zero energy houses for southtern Europe: Feasibility study, Solar Energy 86 (2012) 634-646. [7] Marszal A.J, Heiselberg P., Bourrelle J.S, Musall E, voss K, Sartori I, Napolitano A, Zero Energy Building-A review of defenition and calculation metodologies, Energy and Buildings 43 (2011) 971-979. [8] Melissa R.E, Jon G.McG, dan James F.M, Wind power systems for zero net energy housing in the United States, Renewable Energy 34 (2009) 1270-1278. [9] Liping W, Julie G, dan Phil J, Case study energy house design in UK, Energy and Buildings 41 (2009) 1215-1222. [10] Tong K.F dan Lee C.K, Towards net zero energy design for low-rise residential buildings in subtropical Hong Kong, Applied Energy (2012) doi:10.1016/j.apenergy. 2012.01.006. [11] Agus P. S. dkk .2005. Buku Panduan Efisiensi Energi di Hotel. Jakarta. [6]
56
