Komparasi Kinerja antara Sistem Ventilasi Pencampuran dengan Pengalihan Udara Kasus: Ruangan Kantor Khusus

Komparasi Kinerja antara Sistem Ventilasi Pencampuran dengan Pengalihan Udara Kasus: Ruangan Kantor Khusus Bambang Iskandriawan Jurusan Desain Produk Industri FTSP ITS Kampus ITS, Keputih, Sukolilo. Surabaya, 60111 Telp.: (031) 5931147, Fax: (031) 5931147 E-mail: [email protected] Paul Indiyono Jurusan Teknik Kelautan FTK ITS Kampus ITS, Keputih, Sukolilo. Surabaya, 60111 Telp.: (031) 5928105, Fax: (031) 5928105 E-mail: [email protected] Herman Sasongko, Prabowo Jurusan Teknik Mesin FTI ITS Kampus ITS, Keputih, Sukolilo. Surabaya, 60111 Telp.: (031) 5946230, Fax: (031) 5922941 E-mail: [email protected] d, [email protected] Diterima 23 Juli 2007; diterima terkoreksi 2 Oktober 2007; disetujui __________ Abstrak Sistim ventilasi udara diperlukan untuk mempertahankan lingkungan udara agar selalu bersih dan segar sepanjang hari. Ventilasi udara akan meningkatkan kenyamanan, kesehatan dan produktivitas penghuni ruangan. Penelitian ini mengamati pengaruh lokasi udara segar terhadap faktor-faktor kenyamanan termal dan kualitas udara ruang dalam. Akan dibandingkan dua jenis sistim ventilasi: sistim ventilasi pencampuran dan pengalihan udara. Faktor-faktor kenyamanan termal meliputi temperatur dan kecepatan udara dalm ruangan. Sedangkan kualitas udara segar merujuk pada konsentrasi kontaminasi udara. Dipergunakan Fluent 6.2 sebagai program simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics), beberapa variabel akan dieksploitasi. Jenis-jenis batasan sistim model ruang dibangun pada program GAMBIT menghasilkan sebuah model ruang kantor khusus. Hasil iterasi menunjukkan pada ventilasi pencampuran udara, kecepatan udara lebih rendah pada daerah dekat lantai, dan gas CO2 bergerak kebawah. Kondisi berlawanan dihasilkan oleh sistim ventilasi lainnya. Selanjutnya, pada ventilasi pencampuran udara, energi kinetik turbulensi dan temperatur udara lebih tinggi, dibandingkan ventilasi pengalihan udara. Kata-kata kunci: ventilasi, pencampuran, pengalihan, difusor, penghuni, CFD Fluent. Abstract Air ventilation system is needed in the purpose of maintaining clean and fresh air at all times. It will enhance the comfort, wealthy and productivity of occupant. This research investigates the influence of fresh air diffuser location to the thermal comfort factor and indoor air quality factor. It will compare two types of ventilation: the mixing, and the displacement ventilation. The thermal comfort factors consist of the temperature, and the velocity of air room. Meanwhile, the indoor air quality (IAQ) only focuses on contaminant concentration. Using Fluent 6.2 as CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation program, all the variables will be exploit. The specify boundary types room model is established in GAMBIT software generating such a specific office room. The result shows that in the mixing ventilation, the air velocity is lower in the low level altitude, and the CO2 gas is moving downward. The opposite condition is resulted by the other ventilation. Meanwhile, in

1

the mixing ventilation, the kinetic energy of turbulence and air temperature are higher, than in the displacement ventilation. Keywords: ventilation, mixing, displacement, diffuser, occupant, CFD Fluent. Sistem ventilasi udara dipergunakan untuk mengeluarkan kontaminan/bahan pencemaran sesegera/secepat mungkin dari ruangan. Keberhasilan dalam perencanaan ventilasi membutuhkan sistem ventilasi yang tidak mengalami kelebihan beban (overloaded). Akibat positif dan negatif dari sistem ventilasi dapat dilihat pada gambar 1 [1]. Sistem ventilasi yang saat ini banyak dipakai untuk aplikasi ventilasi adalah sistem ventilasi pencampuran udara (mixing ventilation system). Sistem ventilasi pencampuran udara memasukkan udara bersih kesuatu ruang dengan tujuan untuk mempertinggi tingkat pencampuran dari udara bersih dengan udara ruangan. Pengalaman relatif baru dari benua Eropa menunjukkan bahwa penggunaan sebuah sistem ventilasi dengan mempergunakan kemampuan daya mengapung alami (natural buoyancy) dari udara hangat menyediakan efisiensi energi lebih besar dan menyediakan udara lebih bersih untuk para penghuni ruangan atau untuk proses didalam ruang. Jenis ventilasi dari sistem tersebut secara sederhana dikenal sebagai ventilasi pengalihan udara (displacement ventilation); sistem ini dikenal secara umum sebagai ventilasi pengalihan udara secara termal. Konsep desain secara fundamental untuk sebuah sistem ventilasi pengalihan udara

memperoleh manfaat dari studi secara luas mengenai fenomena dari termal peningkatan panas. Sumber-sumber panas didalam suatu ruangan menyebabkan konveksi alami secara langsung untuk memindahkan udara hangat keatas, pada saat yang sama menarik udara lebih dingin dari lantai. Prinsip kerja dari ventilasi pengalihan udara adalah dengan mengalirkan udara dingin pada kecepatan rendah dengan turbulensi rendah pada permukaan yang rendah dan membuang udara tersebut pada permukaan yang lebih tinggi pada ruangan tersebut. Berdasarkan permasalahan pada sistem ventilasi konvensionil yaitu tidak optimalnya sistem terhadap pelenyapan kontaminasi yang terjadi pada suatu ruangan, maka keberadaan sistem baru ini diharapkan akan dapat menjawab kelemahan dari sistem ventilasi pencampuran udara. ASPEK-ASPEK KINERJA Penelitian-penelitian mengenai sistem ventilasi pengalihan udara telah banyak dilaksanakan baik di Eropa, Amerika, Australia maupun di Jepang. Sebagian hasil penelitian telah dapat memberikan kontribusi penting untuk perbaikan sistem ventilasi walaupun sebagian lagi masih memerlukan penelitian lanjutan. Aspek-aspek kinerja apa saja yang diperlukan dalam pembahasan sistem ventilasi pengalihan udara perlu dicermati dari penelitian-penelitian sebelumnya. King dan kawan-kawan [2] menyimpulkan bahwa aplikasi yang benar dari sistem pengkondisian udara stratifikasi untuk gedung dimana kualitas udara dalam ruangan naik kualitasnya akan dapat memberikan keuntungan. Dari studi kasus dapat ditunjukkan sebuah penghematan operasi daya listrik sebesar 1,138,195 kilowatt per tahun, 50.55 % dari prediksi biaya operasi dengan sistem pengkondisian udara konvensionil. Nielsen [3] membuat eksperimen dengan peralatan terminal udara yang terpasang pada

Gambar 1. Akibat positif dan negatif dari sistem ventilasi sebagai fungsi dari laju kapasitas udara [1]

2

[Artikel JTM 00-00] JURNAL TEKNIK MESIN, Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS Kampus ITS Sukolilo, Surabaya, 60111, Telp.: (031)5946230, Fax.: (031)5922941

dinding. Aliran stratifikasi dalam ruangan dianalisa dan pengaruh dari stratifikasi dan pengaruh dari dimensi ruangan pada tingkat kecepatan dan pada skala panjang turbulensi diinvestigasi. Tingkat kecepatan dalam daerah penghuni dapat dijelaskan dengan sebuah persamaan tunggal berdasarkan pada teori aliran stratifikasi dan sebagian lagi dengan cara pengukuran. Efisiensi ventilasi ruang dengan prinsip ventilasi pengalihan udara dengan respek pada beberapa faktor yang berpengaruh, khususnya dari aktivitas fisik penghuni dipelajari oleh Mattsson [4]. Dalam pengujian unjuk kerja, aktivitas dari orang sedang berjalan umumnya terbukti akan merusak/mengganggu efisiensi ventilasi. Kualitas udara dalam daerah penghuni mengalami kerusakan, dikarenakan pengaliran udara pada sebelah belakang dari orang yang bergerak, menyebabkan transportasi dari udara relatif „tua‟ dan terkontaminasi dari bagian atas dari ruangan turun ke tingkat yang lebih rendah. Khususnya kualitas udara pada daerah pernafasan dari penghuni yang tidak bergerak cenderung untuk dipertahankan secara signifikan lebih baik dari pada kondisi-kondisi pencampuran sempurna. Secara lengkap pencampuran udara ruang terjadi bila aktivitas sangat berlebihan (extreme), namun demikian pola aliran ventilasi pengalihan udara akan terbangun kembali sesudah berhentinya aktivitas. Pengujian dengan dua ketinggian plafon yang berbeda oleh Mattsson [4] menunjukkan efisiensi ventilasi lebih rendah pada plafon yang lebih tinggi, demikian juga kontaminasi yang terjadi. Hu dkk. [5] meneliti perbandingan konsumsi energi antara sistem ventilasi pengalihan udara dan pencampuran udara untuk berbagai iklim dan gedung di Amerika Serikat. Studi investigasi meliputi konsumsi energi untuk sebuah kantor perseorangan (individual), sebuah ruang kelas dan sebuah ruang kerja (workshop) untuk lima wilayah iklim di Amerika Serikat. Investigasi melaporkan beberapa karakteristik yang paling penting dari sistem ventilasi pengalihan udara, yaitu stratifikasi temperatur udara dan efektivitas ventilasi. Kedua faktor ini memiliki pengaruh kuat yang signifikan pada konsumsi energi oleh sistem HVAC (heating, ventilation

3

and air conditioning) untuk ventilasi pengalihan udara. Matsson [4] telah melakukan penelitian tentang „plume‟ yang berada diatas tubuh manusia dimana tubuh manusia adalah salah satu sumber panas (heat source) pada sebuah ruangan. Stratifikasi temperatur dan efektivitas ventilasi adalah faktor-faktor yang penting dalam ventilasi sistem pengalihan udara. Lebih banyak panas dihasilkan didalam sebuah ruangan, selanjutnya akan lebih banyak panas ditransfer melalui dinding-dinding dan lebih banyak panas dibawa oleh udara ventilasi [6]. Selanjutnya didalam sistem ventilasi pengalihan udara pemasukan temperatur lebih tinggi memberikan kenaikan pada kerugian panas melalui dinding sekeliling dan lebih rendah kerugian panas pada ventilasi untuk laju penghasilan panas yang sama. Fenomena ini terjadi dikarenakan pengalihan panas melalui dinding akan naik pada saat temperatur ruang dalam naik. Tujuan dari penelitian Xu dkk. [6] adalah mengamati pengaruh dari kerugian panas melalui dinding terhadap gradien temperatur dan konsentrasi kontaminasi didalam sebuah ruangan dengan ventilasi pengalihan udara. Selanjutnya dapat disimpulkan gradien temperatur pada berbagai lokasi dalam ruangan, pengaruh jumlah dari simulator orang pada temperatur gradien, pengaruh temperatur udara masuk pada gradien temperatur, distribusi vertikal dari konsentrasi nondimensional pada berbagai lokasi dan hubungan antara kerugian panas ventilasi dan konsentrasi non-dimensional pada daerah dengan ketinggian sekitar 400 mm dari lantai ruangan. Yuan dkk. [7] mengkaji beberapa aspek unjuk kerja dari ventilasi pengalihan udara: distribusi temperatur, distribusi aliran udara, distribusi kontaminasi, kenyamanan, energi dan analisa biaya serta beberapa petunjuk perancangan. Laju ventilasi, beban pendinginan, sumber panas, karakteristik dinding, ketinggian ruangan dan jenis difusor memiliki pengaruh yang sangat berarti pada prestasi dari ventilasi pengalihan udara. Beberapa pengaruh dapat diestimasi dengan persamaan-persamaan yang sederhana, tetapi masih banyak yang lainnya masih membutuhkan investigasi lebih terperinci. Yuan dkk. [7] menyatakan bahwa

BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT

4

E-mail: [email protected], [email protected] Website: www.me.its.ac.id/Data/jurnal.html, jurnalme.bravehost.com

temperatur udara pada daerah lantai dan gradien temperatur vertikal dalam daerah penghuni dari suatu ruangan dengan sistem ventilasi pengalihan udara adalah penting untuk evaluasi kenyamanan termal. Dua parameter tersebut diperlukan untuk dihitung pada tahapan perancangan. Laju ventilasi, beban pendinginan, jenis sumber panas dan lokasi, karakteristik radiatif dinding dan jenis difusor mempunyai sebuah pengaruh sangat penting terhadap dua parameter tersebut. Beberapa model perhitungan tersedia untuk menentukan temperatur udara pada daerah lantai, disamping itu ada beberapa persamaan yang relatif sukar untuk perhitungan mengenai gradien temperatur udara vertikal.

Gambar 2. Distribusi temperatur di ruang kelas untuk potongan membujur (a) dan melintang (b) [7]

Gambar 2 menjelaskan distribusi temperatur pada bidang yang dipilih yaitu potongan membujur dan melintang pada tengah ruangan [7]. Gambar 3 memberikan informasi tentang adanya kontaminan CO2 pada ruangan kelas akibat adanya sistem pernafasan dari penghuni ruang. Baik kontur distribusi temperatur dan kontaminasi CO2 menunjukkan bahwa pada posisi semakin tinggi secara vertikal pada ruangan akan diperoleh nilai temperatur dan kandungan CO2 yang lebih tinggi pula untuk sistem ventilasi pengalihan udara. Dari penelitian-penelitian mengenai sistem ventilasi pengalihan udara, yang paling banyak dibahas adalah aspek-aspek distribusi temperatur dan kontaminasi udara di dalam ruangan. Hal ini dapat dipahami karena sebagian dari peneliti tidak hanya dari disiplin mechanical engineering tetapi juga dari disiplin (science) architecture. Disisi lain tentunya kenyaman termal sebuah ruangan tidak bisa dilepaskan dari aspek kecepatan udara. Akibat dari kecepatan dan temperatur udara tersebut akan menentukan energi kinetik turbulensi udara di dalam ruangan. Penelitian sebelumnya juga belum ada yang membahas mengenai surface heat transfer coefficient heff dan surface Nusselt number Nu. Aspek-aspek ini akan dapat menjelaskan laju aliran panas dari sumber panas ke ruangan. TUJUAN

Gambar 3. Distribusi kontaminasi CO2 di ruang kelas untuk potongan membujur (a) dan melintang (b)[7]

Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan antara hasil analisa unjuk kerja sistem ventilasi pengalihan udara (displacement ventilation) dengan sistem ventilasi pencampuran udara (mixing ventilation). Perbandingan yang dilakukan diutamakan pada pengukuran variabel-variabel temperatur, kecepatan, energi kinetik turbulensi dan tingkat konsentrasi kontaminasi udara yang terjadi pada suatu lokasi diruangan. Nilai temperatur, kecepatan dan energi kinetik turbulensi udara akan menggambarkan tingkat kenyamanan sedangkan tingkat kontaminasi yang terjadi berhubungan dengan faktor kesehatan penghuni gedung perkantoran. Berdasarkan penelitian-penelitian di Eropa dan Amerika yang telah dilaksanakan

BCA – Klampis – SBY; a.c.: 5200117524; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT


sebelumnya, terbukti bahwa ada beberapa kelebihan pada ventilasi pengalihan udara walaupun pada sisi yang lain dipersyaratkan beberapa kondisi yang mungkin merupakan keterbatasan dari metode ventilasi yang relatif masih baru ini. Penelitian ini akan mencoba untuk membuktikannya terutama dengan kondisi lingkungan yang khas Indonesia. METODE Berbeda dari penelitian-penelitian terdahulu yang hanya menganalisa aspek-aspek temperatur dan kontaminasi udara saja, pada penelitian ini aspek yang diteliti berkaitan dengan unjuk kerja (performance) sebuah sistem ventilasi. Aspek ini ditentukan oleh 4 (empat) buah variabel, yaitu kecepatan, temperatur, energi kinetik turbulensi dan tingkat kontaminasi udara yang terjadi dari udara ruangan. Keempat buah variabel ini kondisinya ditentukan oleh beberapa parameter dari sistem ventilasi yang diuji yaitu laju perubahan udara, jumlah difusor, lokasi difusor, lokasi penghuni (occupant), tata-letak furnitur, lokasi partisi dan peletakan difusor udara masuk 1~4

5

pengeluaran udara (exhaust). Penelitian ini juga difokuskan pada perubahan parameter lokasi/peletakan difusor udara dingin saja. Penelitian ini berbasis simulasi (CFD Fluent 6.2) dengan menggunakan parameter penelitian pada penempatan lokasi difusor udara dingin. Simulasi CFD dimulai dengan perancangan sistem ventilasi dan interior ruang kantor berdasarkan pedoman yang sudah ada. Model ruang dibuat pada software GAMBIT dan dilanjutkan dengan proses meshing. Model meshing dieksport ke Fluent 6.2. Pada Fluent 6.2 selanjutnya ditentukan boundary condition sistem sebelum iterasi dilaksanakan. Analisa hasil simulasi dilakukan walaupun dalam hal ini sangat dimungkinkan terjadinya pengulangan proses dikarenakannya adanya ketidaktepatan (error) dari proses simulasi. Model untuk kedua jenis sistem ventilasi yang akan diteliti ditunjukkan pada gambar 4a dan 4b. Desain model ruangan menggambarkan sebuah ruang kantor dengan kemungkinan jumlah penghuni = 3 orang. Benda-benda lainnya adalah meja rapat, kursi, meja, komputer, lampu TL, kulkas, difusor udara masuk dan keluar. Sebagai sumber panas

Lampu TL difusor udara keluar 1~4 1~4 orang_2

komputer_2 meja rapat

meja_2

difusor udara masuk 1~4

kursi_2 orang_1 orang_3

kursi_1 kulkas meja_1 komputer_1 (a)

(b)

Gambar 4. Model ruangan kantor dengan metode (a) mixing ventilation, (b) displacement ventilation BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT

6


adalah orang, komputer dan lampu TL. Peletakan difusor udara dingin diletakkan di sudut-sudut ruangan agar peletakan perabot lebih leluasa. Sedangkan penempatan difusor udara panas disesuaikan yaitu pada sudut-sudut plafon tepat di atas difusor udara dingin. Sesuai dengan variabel-variabel yang telah ditentukan, hasil penelitian ini menunjukkan beberapa informasi penting yang terkait dengan dua buah sistem (sistem ventilasi pencampuran dan sistem pengalihan udara), yaitu: distribusi kecepatan udara, distribusi temperatur udara, distribusi energi kinetik turbulensi udara. Selain itu, penelitian ini juga menampilkan informasi mengenai Surface Heat Transfer Coefficient heff dan Surface Nusselt Number Nu. Surface heat transfer coefficient heff bergantung pada temperatur lingkungan seperti pada persamaan berikut:

heff 

q Twall  Tref

(1)

dimana: q = convective heat flux (W/m2); Twall = temperatur permukaan dinding dan (K); Tref = temperatur referensi (K). Sedangkan juga surface Nusselt Number Nu, mengikuti persamaan:

Nu 

(a)

heff Lref k

(2)

dimana: heff = heat transfer coefficient (W/m2.K); Lref = Panjang referensi (m); K = konduktivitas termal molekular (W/m.K). Terakhir, informasi tentang kontaminasi CO2 di udara akibat adanya sistem pernafasan manusia juga ditampilkan. Gas CO2 dikeluarkan dari mulut orang. Pada penelitian ini hanya diutamakan pada arah aliran gas CO2 saja. HASIL DAN PEMBAHASAN Pola aliran udara untuk kedua macam sistem ventilasi udara dapat dilihat pada gambar 5 (a dan b). Pada sistem mixing ventilation akan dapat dilihat bahwa perjalanan udara relatif lebih panjang karena udara masuk keruangan dari ketinggian setingkat plafon menuju kebawah dan kembali lagi ke atas untuk keluar ruangan, dimana lokasi difusor pengeluaran (exhaust) juga pada posisi plafon. Disisi lain, pada displacement ventilation sebagian udara bergerak dari bawah menuju ke arah plafon dan keluar ruangan (perjalanan lebih pendek). Pergolakan udara dan jumlah benturan molekul udara lebih tinggi pada mixing ventilation, dalam hal ini akan mempengaruhi aspek-aspek kenyamanan dan kualitas udara pada ruangan seperti temperatur, turbulensi, tingkat kontaminasi, surface heat transfer coefficient dan surface Nusselt Number. Untuk analisa kecepatan, temperatur dan

(b)

Gambar 5. Path line untuk besaran kecepatan udara (a) mixing ventilation, (b) displacement ventilation BCA – Klampis – SBY; a.c.: 5200117524; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT


energi kinetik turbulensi akan diambil pada daerah-daerah yang ektrim pada ruangan yaitu pada sudut-sudut ruangan dan pada tengah ruangan baik sejajar sumbu z dan sumbu x (lihat gambar 4a dan 4b). Sedangkan analisa surface heat transfer coefficient, heff dan surface Nusselt number, Nu pada daerah permukaan penghuni ruang, dalam hal ini ditentukan pada orang_3. Kecepatan Udara Pola distribusi kecepatan udara dapat dilihat pada gambar 6, dalam hal ini dipilih disekitar orang_3 (lihat gambar 4a) demikian juga untuk temperatur udara ruangan. Sesuai dengan posisi orang_3 pada ruangan maka arah aliran udara pada mixing ventilation adalah dari atas dan sebelah kanan orang_3. Sedangkan pada displacement ventilation, arah aliran udara adalah dari bawah mixing

displacement

z=4.1

x=1

y=0.3

7

dan dari arah sebelah kiri dari orang_3. Faktor kecepatan udara pada ruangan mempunyai pengaruh yang penting terhadap analisa kenyaman termal. Pengaruhnya akan mendasari analisa kenyamanan termal dan kualitas udara ruangan. Semakin besar kecepatan udara akan diperoleh temperatur udara yang lebih rendah. Tetapi jika terlampau besar juga akan menimbulkan ketidaknyamanan bagi penghuni ruangan. Dari gambar 7a dapat dijelaskan bahwa pada sudut-sudut ruangan (jarak 10 cm dari dinding) maka besar kecepatan udara adalah berbanding terbalik berdasarkan posisi ketinggian untuk kedua sistem ventilasi. Kecepatan udara keluar dari difusor udara dingin adalah 5 meter/detik. Untuk sudut-sudut sekitar 1 meter dari dinding (gambar 7b), besar kecepatan relatif sama untuk kedua sistem (dibawah 0.01 meter/detik) kecuali untuk daerah diatas 2 meter ketinggian, pada sistem displacement ventilation kecepatan udaranya akan meningkat, karena pada daerah tersebut energi gerak udara justru lebih besar sesuai dengan informasi visual pada gambar 5b. Patahan grafik akan terjadi untuk daerah yang berada dibawah meja (0.6 meter) ataupun pada posisi dimana orang berada (lokasi z=4~x=1). Patahan grafik terjadi pada daerah dimana meja berada (z=1~x=1, z=1~x=5 dan z=4~x=5). Pada tengah ruangan (baik pada bidang x maupun z), secara umum kecepatan udara akan lebih besar pada sistem ventilasi pengalihan udara (gambar 8a dan 8b). Pada daerah kepala manusia (sekitar ketinggian 1.6 meter), kecepatan udara paling besar terjadi pada tepat ditengah ruangan (x=3~z=2.5). Beberapa patahan grafik terjadi pada daerah dimana meja rapat berada (x=1~z=2.5). Karena letak difusor udara dingin pada sudut-sudut ruangan maka pengaruh kecepatan udara terhadap penghuni yang terjadi pada tengah ruangan lebih kecil sekitar 10 kali dibandingkan dengan kecepatan udara pada sudut ruangan (gambar 7 dan 8). Hal ini sesuai dengan penelitian Nielsen [3], dimana kecepatan udara ruang akan semakin mengecil dengan semakin jauhnya lokasi pengukuran dari difusor udara dingin.

Gambar 6. Distribusi kecepatan udara pada orang_3 BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT

8


Distribusi Temperatur Distribusi temperatur udara pada orang_3 menunjukkan bahwa pada displacement ventilation temperatur ruangan relatif lebih dingin dibandingkan dengan mixing ventilation (gambar 9, 10, 11 dan 12). Perbedaan temperatur sekitar 1C. Karena pada sistem ventilasi pengalihan udara ini partikel-partikel udara lebih cepat mencapai suatu titik tertentu maka temperatur udara lebih bisa dipertahankan dari kondisi temperatur awal (saat keluar dari difusor udara dingin). Pada software Fluent ada 2 alternatif untuk pembangkitan panas pada sumber panas yaitu dengan cara pembangkitan heat flux atau dengan pemberian nilai temperatur tertentu. Untuk pemberian nilai heat flux, pada permukaan (kulit) orang_3, temperatur udara akan lebih tinggi pada displacement ventilation. Hal ini disebabkan pada daerah tersebut kecepatan udaranya relatif kecil

sehingga lebih panas (kerapatan udara lebih lebih renggang, lihat gambar 6). Agar dapat diperoleh informasi mengenai heat transfer coefficient heff dan Surface Nusselt Number Nu maka pada permukaan orang perlu diberikan nilai temperatur awal tertentu. Gambar 11a (sudut-sudut 10 cm dari dinding ruangan) menjelaskan bahwa pada sistem ventilasi pengalihan udara, semakin tinggi posisi ketinggian maka akan diperoleh temperatur udara yang lebih panas. Hal sebaliknya terjadi pada sistem ventilasi pengaturan udara, semakin rendah titik pada ruangan temperatur akan semakin panas. Temperatur udara dingin keluar difusor adalah 15 C (288K). Pada daerah sudut-sudut ruangan dengan jarak 1 meter dari dinding (gambar 11b), kedua sistem ventilasi cenderung homogen terhadap ketinggian ruang. Patahan grafik terjadi pada daerah dimana orang dan meja berada.



Pada daerah tengah ruangan baik pada untuk sumbu x maupun z (gambar 12a dan 12b), pada kedua sistem ventilasi nilai temperatur udara ruangan cenderung tidak berubah terhadap ketinggian. Tampak jelas bahwa pada sistem ventilasi pengalihan udara ternyata temperaturnya lebih dingin. Yuan dkk. [7] telah meneliti distribusi temperatur pada ruangan untuk sistem ventilasi pengalihan udara. Informasi serupa juga diperoleh pada penelitian ini yaitu semakin tinggi ruangan akan diperoleh temperatur udara yang lebih tinggi (gambar 9 dan 11a). Temperatur udara yang lebih rendah pada

sistem ventilasi pengalihan dibandingkan dengan sistem pencampuran udara sesuai dengan hasil penelitian Xu dkk. [6] yang dalam hal ini juga berarti terjadi penghematan energi seperti pernah diteliti oleh King dkk. [2]. Berdasarkan gambar 11 dan 12 maka penghuni ruangan akan merasakan temperatur udara yang lebih dingin jika berada disudut ruangan dibandingkan di tengah ruangan untuk sistem ventilasi pengalihan udara. Disisi lain, perbedaan posisi penghuni tidak terlalu berbeda signifikan untuk sistem ventilasi pencampuran udara.

Lokasi 10 cm dari Dinding

Lokasi 1m dari Dinding

3

displacement, z=0.1~x=0.1 displacement, z=0.1~x=5.9 displacement, z=4.9~x=0.1

2

displacement, z=4.9~x=5.9 1.5

mixing, z=0.1~x=0.1 mixing, z=0.1~x=5.9

1

mixing, z=4.9~x=0.1 0.5

Ketinggian Ruangan (m)


3 2.5

2.5

displacement, z=1~x=1 displacement, z=1~x=5 displacement, z=4~x=1 displacement, z=4~x=5 mixing, z=1~x=1 mixing, z=1~x=5 mixing, z=4~x=1 mixing, z=4~x=5

2 1.5 1 0.5

mixing, z=4.9~x=5.9

0 0

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Kecepatan Udara (m/s)


(a)

(b)

Gambar 7. Kecepatan udara pada sudut-sudut ruangan, jarak 10 cm (a) dan 1 m (b) dari dinding

Bidang Tengah Ruangan (sumbu x)

BidangTengah Ruangan (sumbu z) 3

2.5 2 1.5 1

mixing, z=2.5~x=3

0.5

mixing, z=3.5~x=3

0


Ketinggian Ruang (m)

3

displacement, z=1.5~x=3 displacement, z=2.5~x=3 displacement, z=3.5~x=3 mixing, z=1.5~x=3

displacement, x=1~z=2.5 displacement, x=2~z=2.5 displacement, x=3~z=2.5 displacement, x=4~z=2.5 displacement, x=5~z=2.5 mixing, x=1~z=2.5 mixing, x=2~z=2.5 mixing, x=3~z=2.5 mixing, x=4~z=2.5 mixing, x=5~z=2.5

2.5 2 1.5 1 0.5 0

0

0.005

0.01


(a)

0.015

9

0

0.005

0.01

0.015

0.02


(b)

Gambar 8. Kecepatan udara pada tengah ruangan, bidang sumbu x (a) dan z (b) BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT

10 E-mail: [email protected], [email protected]

Website: www.me.its.ac.id/Data/jurnal.html, jurnalme.bravehost.com

Energi Kinetik Turbulensi Udara Pada sudut-sudut ruangan dengan jarak 10 cm dari dinding (gambar 13a), grafik energi kinetik turbulensi udara untuk kedua sistem ventilasi saling berlawanan (relatif identik dengan grafik kecepatan udara). Energi kinetik turbulensi udara akan semakin mengecil dengan semakin jauhnya posisi dari difusor

mixing

z=4.1,

z=4.1,

x=1,

x=1,

displacement

T=(289.3~293.1)K

T=(288~292.3)K

udara dingin (gambar 13a dan 13b). Untuk jarak 1 meter dari dinding, energi kinetik turbulensi udara pada mixing ventilation akan lebih besar. Beberapa patahan grafik terjadi dengan adanya orang maupun meja pada ruangan kantor. Pada tengah ruangan (baik pada bidang x maupun z), energi kinetik turbulensi udara lebih besar pada mixing ventilation (gambar mixing

y=0.3,

y=0.3,

displacement

T=(289.3~293.1)K

T=(288~292.3)K

T=(289.3~293.1)K

y=0.3,

T=(288.7~292.8)K

T=(288~292.3)K

y=0.3,

T=(288.1~293.1)K

Gambar 9. Distribusi temperatur udara pada orang_3, potongan vertikal

Gambar 10. Distribusi temperatur udara pada orang_3, potongan horisontal



14a dan 14b). Walaupun kecepatan udara pada sistem ventilasi pencampuran udara lebih lambat tetapi pergolakan partikel udara lebih besar (intensitas tumbukan partikel udara lebih tinggi) yang mengakibatkan turbulensi udara lebih besar dibandingkan dengan pada sistem ventilasi pengalihan udara. Energi kinetik turbulensi udara paling besar terjadi pada posisi tengah ruangan (x=3, z=2.5) baik pada mixing maupun displacement ventilation. Pada posisi ditengah maupun pada sudutsudut ruangan, pola energi kinetik turbulensi udara sama antara sistem vebtilasi pencampuran dan pengalihan udara. Hanya saja lebih besar pada sistem ventilasi pencampuran udara sehingga pada grafik untuk sistem ventilasi pengalihan udara tampak seperti garis vertikal karena besarnya jauh dibawah energi kinetik turbulensi udara pada

11

sistem pencampuran udara (gambar 13b, 14a dan 14b). Surface Heat Transfer Coefficient (heff) dan Surface Nusselt Number (Nu). Analisa mengenai surface heat transfer coefficient heff dan surface Nusselt Number Nu diperlukan untuk dapat mengetahui laju pengaliran panas dari sumber panas ke lingkungannya akibat adanya perbedaan temperatur (persamaan 1 dan 2). Dalam hal ini temperatur udara ruang dipengaruhi oleh besar kecepatan udara. Gambar 15 menunjukkan kontur temperatur pada 3 (tiga) macam ketinggian yaitu 0.1 m, 1m dan 1,5 m pada orang_3. Gambar 16 dan 17 menunjukkan bahwa heff dan Nu terbesar adalah pada daerah ketinggian

Lokasi 10 cm dari Dinding displacement, z=0.1~x=0.1 displacement, z=0.1~x=5.9 displacement, z=4.9~x=0.1 displacement, z=4.9~x=5.9 mixing, z=0.1~x=0.1 mixing, z=0.1~x=5.9 mixing, z=4.9~x=0.1 mixing, z=4.9~x=5.9

2.5 2 1.5 1 0.5

Lokasi 1 m dari Dinding 3



3

2.5 2 1.5 1 0.5

0 288.00 288.25 288.50 288.75 289.00 289.25 289.50 289.75 290.00

0 288.25 288.50 288.75 289.00 289.25 289.50 289.75

Temperatur (K)

displacement, x=1~z=1 displacement, z=1~x=5 displacement, z=4~x=1 displacement, z=4~x=5 mixing, z=1~x=1 mixing, z=1~x=5 mixing, z=4~x=1 mixing, z=4~x=5

Temperatur (K)

(a)

(b)

Gambar 11. Temperatur udara pada sudut-sudut ruangan, jarak 10 cm (a) dan 1 m (b) dari dinding

BidangTengah Ruangan (sumbu x)

1.00

mixing, z=2.5~x=3

0.50

mixing, z=3.5~x=3


2.50 2.00

0.00 288.50

288.75

289.00

289.25

Temperatur (K)

(a)

displacement, x=1~z=2.5 displacement, x=2~z=2.5 displacement, x=3~z=2.5 displacement, x=4~z=2.5 displacement, x=5~z=2.5 mixing, x=1~z=2.5 mixing, x=2~z=2.5 mixing, x=3~z=2.5 mixing, x=4~z=2.5 mixing, x=5~z=2.5

3


1.50

displacement, z=1~x=3 displacement, z=2.5~x=3 displacement, z=3.5~x=3 mixing, z=1.5~x=3

3.00

BidangTengah Ruangan (sumbu z)

289.50

289.75

2.5 2 1.5 1 0.5 0 288.50

288.75

289.00

289.25

289.50

289.75

Temperatur Udara (K)

(b)

Gambar 12. Temperatur udara pada tengah ruangan, sumbu x (a) dan z (b) BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT



sekitar 1 (satu) m pada orang_3. Hal ini terjadi karena pada daerah tersebut perbedaan temperaturnya (Twall-Tref) adalah terkecil yang berarti Tref adalah terbesar (lihat gambar 15). Juga dapat disimpulkan bahwa heff dan Nu pada sistem displacement ventilation ternyata lebih kecil dibandingkan heff dan Nu pada sistem mixing ventilation. Perkecualian terjadi untuk daerah dibawah ketinggian 0.2 meter dan pengukuran Twall pada permukaan belakang orang_3, dimana heff dan Nu sistem displacement ventilation ternyata lebih tinggi. Dengan semakin besar kecepatan udara akan diperoleh temperatur yang lebih rendah yang selanjutnya akan berakibat pada surface heat transfer dan Nusselt Number yang lebih rendah pada sistem ventilasi pengalihan udara.

Kontaminasi Gas CO2 Pada kesempatan penelitian ini, kontaminasi gas CO2 yang terjadi pada ruangan disajikan hanya dalam bentuk visualisasinya saja, penjelasan lebih kuantitatif sementara ini di luar lingkup diskusi. Meski begitu, besar dan arah kecepatan udara sangatlah penting dalam pembahasan kontaminasi CO2 yang terjadi pada interior ruangan. Dari gambar 18a terlihat bahwa pada sistem ventilasi pencampuran udara (mixing ventilation), gas CO2 yang keluar dari mulut 3 orang/manusia akan cenderung mengarah kebawah karena arah hembusan udara segar difusor dari atas (plafon) menuju kebawah ruangan. Jadi gas CO2 belum sempat „terbang‟ ke atas sudah dihembus terlebih dahulu kebawah. Setelah gas CO2 berada dilantai baru kemudian mengarah ke atas menuju difusor

Lokasi 10 cm dari Dinding Lokasi 1 meter dari Dinding displacement, z=1~x=1 displacement, z=1~x=5 displacement, z=4~x=1 displacement, z=4~x=5 mixing, z=1~x=1 mixing, z=1~x=5 mixing, z=4~x=1 mixing, z=5~x=5

3




3

displacement, z=0.1~x=5.9 displacement, z=4.9~x=0.1

2


mixing, z=0.1~x=0.1 mixing, z=0.1~x=5.9

1

mixing, z=4.9~x=0.1

0.5

mixing, z=4.9~x=5.9

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8 2

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.00

1 2

0.05

0.10

0.15

0.20

Energi Kinetik Turbulensi (Km2/s2)

Energi Kinetik Turbulensi (Km /s )

(a)

(b)

Gambar 13. Energi kinetik turbulensi udara pada sudut-sudut ruangan, jarak 10 cm (a) dan 1 m (b) dari dinding

Bidang Tengah Ruangan (sumbu x) displacement, z=1.5~x=3 displacement, z=2.5~x=3 displacement, z=3.5~x=3 mixing, z=1.5~x=3

2.5 2 1.5

mixing, z=2.5~x=3 1

mixing, z=3.5~x=3 0.5

displacement, x=1.5~z=2.5

3

displacement, x=2~z=2.5



3

BidangTengah Ruangan (sumbu z)

2.5

displacement, x=3~z=2.5 displacement, x=4~z=2.5

2

displacement, x=5~z=2.5 mixing, x=1~z=2.5

1.5

mixing, x=2~z=2.5 1

mixing, x=3~z=2.5 mixing, x=4~z=2.5

0.5

mixing, x=5~z=2.5 0 0

0.1

0.2

0.3


(a)

0.4

0 0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35


(b)

Gambar 14. Energi kinetik turbulensi udara pada tengah ruangan, sumbu x (a) dan z (b) BCA – Klampis – SBY; a.c.: 5200117524; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT


udara keluar. Namun sebagian masih ikut bersirkulasi bercampur udara. Hal sebaliknya terjadi pada sistem ventilasi pengalihan udara (gambar 18b). Gas CO2 yang keluar akan langsung mengarah ke atas karena arah hembusan dari bawah. Namun sebagian juga masih mengarah kebawah lagi tentunya dengan kandungan CO2 yang lebih rendah karena sebagian gas CO2 telah keluar ruangan.Yuan dkk. [7] menjelaskan bahwa pada posisi ketinggian ruangan lebih tinggi, distribusi CO2 akan lebih besar pada sistem ventilasi pengalihan udara. KESIMPULAN Pola aliran udara pada kedua sistem ventilasi udara sangatlah berbeda. Pada posisi dimana difusor udara segar berada, kecepatan udara akan semakin mengecil dengan semakin tingginya titik-titik pada ruangan untuk sistem mixing

displacement

13

ventilasi pengalihan udara. Sebaliknya pada sistem ventilasi pencampuran udara, posisi titik semakin ke bawah akan semakin kecil kecepatan udaranya. Pada tengah ruangan, kecepatan udara pada sistem ventilasi pengalihan udara relatif lebih tinggi. Temperatur udara ruangan pada sistem ventilasi pengalihan udara ternyata lebih dingin jika dibandingkan dengan pada sistem ventilasi pencampuran udara. Energi kinetik turbulensi udara pada ruangan ternyata lebih tinggi yang terjadi pada sistem ventilasi pencampuran udara. Pada pengeluaran gas CO2 dari orang, dapat diidentifikasi bahwa pada sistem ventilasi pengalihan udara arah gas CO2 cenderung ke atas ruangan. Kondisi sebaliknya terjadi pada sistem ventilasi pencampuran udara dimana gas CO2 mengarah kebawah dari mulut orang. Pada sistem ventilasi pencampuran udara, surface heat transfer coefficient heff dan surface Nusselt Number Nu lebih besar dibandingkan dengan pada sistem ventilasi pengalihan udara (displacement ventilation). Akibatnya temperatur di sekitar sumber panas akan lebih tinggi pada sistem ventilasi pencampuran udara (mixing ventilation). REFERENSI

y=0.1

y=1

[1] Sandberg, M., Cooper, P. & Li, Y. 1999, “Effective Ventilation of Buildings”, The 2nd CSIRO/AIRAH Ventilation Course, North Ryde, Sydney. [2] King, A.R., Kronfalt, M. & Clements, R.F. 1993, “Stratified Air Conditioning of Large Spaces with High Heat Loads”, Australian Refrigeration, Air conditioning & Heating 47 n 2, 24-29. [3] Nielsen, P.V. 1994, “Stratified Flow in a Room with Displacement Ventilation and Wall-Mounted Air Terminal Devices”, ASHRAE Transactions, ASHRAE, Atlanta, GA, USA, 1163-1169.

y=1.5 Gambar 15. Distribusi temperatur pada orang_3, potongan horisontal, T=(292~300)K BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT



[4] Mattsson, Magnus. 1999, “On The Efficiency of Displacement Ventilation with Particular Reference to The Influence of Human Physical Activity”, Doctoral Thesis, Centre for Built Environment Royal Institute of Technology Gavle, Sweden. [5] Hu, S., Chen, Q. & Glicksman, L.R. 1999, “Comparison of energy consumption between displacement ventilation systems for different U.S. buildings and climates”, ASHRAE Transactions 105 (PART 2), 453-464.

[6] Xu, M., Yamanaka, T. & Kotani, H. 1999, “Vertical Temperature gradient and Ventilation Efficiency in Rooms with Displacement Ventilation – Influence of Supply Air Temperature and Heat Load”, Technology Reports of Osaka University 49 n 2348, 179-188. [7] Yuan, X., Chen, Q. & Glicksman, L.R. 1999, “Performance Evaluation and Design Guidelines for Displacement ventilation”, ASHRAE Transactions 105 (PART 1), 340-352.



Depan Orang_3

Belakang Orang_3

3

3

mixing

2.5

mixing

2.5

2

2

heff

heff

displacement

displacemen t

1.5

1.5 1

1

z=3.995

z=3.995

0.5

0.5

0

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0

1.6

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Ketinggian Orang_3 (m)

Ketinggian Orang_3 (m)

(a)

(b)

Gambar 16. Surface heat transfer coefficient heff, pada depan (a) dan belakang orang_3 (b)

Depan Orang_3

Belakang Orang_3

100

100

90

90 80

80 70

60

Nu

60

Nu

mixing

70

mixing

50

50 displacement

40

40 30

z=3.995

z=3.995

30

displacement

20

20

10

10 0

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ketinggian orang_3 (m)

(a)

1.2

1.4

1.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Ketinggian orang_3 (m)

(b)

Gambar 17. Surface nusselt number Nu, pada depan (a) dan belakang orang_3 (b)

(a)

(b)

Gambar 18. Kontaminasi gas CO2 pada sistem ventilasi pencampuran (a) dan pengalihan udara (b)

BNI – Urip Sumoharjo – SBY; a.c.: 0049577731; a.n.: Ir. Sudjud Darsopuspito, MT

15

Komparasi Kinerja antara Sistem Ventilasi Pencampuran dengan Pengalihan Udara Kasus: Ruangan Kantor Khusus

Recommend Documents