Pengaruh Udara Infiltrasi Terhadap Beban Pendinginan M.Yahya Nasution
PENGARUH UDARA INFILTRASI TERHADAP BEBAN PENDINGINAN M.Yahya Nasution Staf Pengajar Tetap Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dalam Kuliah Refrigerasi
Abstract: The inflow of air into an air-conditioned building is common and cannot be avoided totally. Infiltrated air has a significant effect to the cooling load. For a small construction such a house, this problem does not necessary to be considered, but in the big constructions as a mall it is one of the factors that should be taken into consideration because it will increase the investment and operation cost. The correct location and the type of doors chosen can reduce the cooling load, even though it may unacceptable from the architectural point of view. Keywords: Avoid placing the main door toward the direction of the air inflow
PENDAHULUAN Umumnya gedung-gedung besar seperti pusat perbelanjaan (mall) ataupun gedung perkantoran perencanaannya dilakukan oleh para arsitek, dan biasanya bertumpu pada segi keindahan dan keserasian. Masalah yang selalu terlupakan adalah biaya investasi dan perawatan rutin setelah gedung itu dioperasikan, khususnya di bidang tata udara. Banyak perencana tidak memperhatikan besarnya pengaruh udara infiltrasi ke dalam gedung dan pengaruhnya terhadap biaya operasi rutin. Para perencana mesin tata udara terkadang juga keliru dalam melakukan perhitungan kapasitas mesin pendingin yang harus dipasang sebagai akibat kurang hati-hati dalam menentukan udara infiltrasi. Tulisan ini mengetengahkan pengaruh udara infiltrasi terhadap beban pendinginan, dengan menyertakan satu studi kasus yang pernah terjadi di salah satu pusat perbelanjaan tahun 1998 di Medan. Berdasarkan sumbernya beban pendingin (cooling load) dapat diuraikan sebagai berikut: 1. panas berasal dari struktur, 2. panas berasal dari peralatan listrik, 3. panas berasal dari pengunjung (metabolic heat), 4. panas berasal dari udara ventilasi dan infiltrasi. Baik panas yang berasal dari struktur maupun panas yang berasal dari peralatan yang menggunakan arus listrik dapat dikatakan sebagai beban sensibel (sensible) yang tidak dapat diakali. Besar panas yang berasal dari struktur ini tergantung pada bahan, tebal, warna dinding, orientasi gedung, bentuk, bahan, dan warna atap, serta temperatur udara sekitarnya. Temperatur udara dipengaruhi pula oleh banyak faktor seperti koordinat, ketinggian dari muka laut dan efek gas rumah kaca (green house
effect), tumpukan panas yang berasal dari radiator mesin-mesin dan kondensor mesin pendingin. Panas yang berasal dari peralatan listrik merupakan penerangan yang tidak dapat ditawar. Panas yang berasal dari pengunjung juga tidak mungkin dikurangi kecuali perusahaan ingin bangkrut. Panas ini terdiri dari panas sensibel dan panas laten dan berhubungan erat dengan jumlah udara ventilasi dan infiltrasi yang juga menambah panas sensibel dan laten. Semakin banyak pengunjung semakin besar pula udara ventilasi dibutuhkan dan bertambah besar pula udara infiltrasi yang terjadi. Peristiwa bertambah besarnya udara infiltrasi ini sama sekali tidak diinginkan dan untuk itulah makalah ini disajikan dan dibatasi. Semoga tulisan ini dapat memberikan masukan bagi rekan-rekan, baik yang terkait pada perencanaan gedung-gedung besar maupun berkecimpung dalam perencanaan tata udara dan masukan bagi yang berminat untuk meneliti udara infiltrasi. Proses Infiltrasi (Tinjauan Pustaka) Ventilasi dan infiltrasi selalu dibahas secara bersamaan mengingat keduanya membahas fisik yang sama, yaitu sama-sama udara dan udara dari sumber yang sama serta memasuki ruang yang sama. Adapun yang membuat keduanya dibedakan adalah caranya memasuki gedung atau dengan kata lain karena yang pertama diundang (invited) dan yang kedua menyelinap (sneak in). Untuk udara ventilasi tidak akan dibahas lagi karena ia diundang tentu prosedur dan perlengkapan yang diperlukan akan disediakan sesuai dengan kebutuhan. Untuk kebutuhan udara ventilasi dapat dilihat pada Tabel I. Udara infiltrasi memasuki ruangan dengan caranya sendiri dengan mengikuti hukum fisika fluida, dan mengambil jalan masuk melalui celah-celah yang ada pada dinding, 43
Pengaruh Udara Infiltrasi terhadap Beban ... M. Yahya Nasution
celah antara pintu ataupun jendela dengan kusennya sewaktu pintu dan jendela dalam keadaan tertutup. Sewaktu pintu dibuka karena ada orang yang sedang lalu, udara infiltrasi itu ikut seolah-olah membonceng sehingga sesuai dengan nama yang diberikan untuknya. Besarnya jumlah udara infiltrasi melalui celah pintu dan jendela terlihat pada Tabel IIa. Pada Tabel IIb diperlihatkan hubungan antara udara infiltrasi dengan persentase waktu penggunaan pintu untuk sepasang pintu yang ditempatkan secara berseberangan, dengan kata lain satu pintu menghadap asal angin dan pasangannya berada pada dinding berseberangan. Tabel II c memperlihatkan besarnya udara infiltrasi melalui pintu engsel sewaktu ada orang yang melaluinya. Gambaran secara teoretis mengenai masuknya udara infiltrasi ini dapat dilihat pada Gambar 1 yang juga memperlihatkan sistem pengkondisian udara pada gedung. Proses psikrometrik yang diharapkan terjadi pada sistem pendinginan udara, diperlihatkan seperti pada Gambar 2.
Tabel I. Kebutuhan udara ventilasi Penggunaan Merokok CFM/Orang Anjuran
Minimum
Sedikit Tidak ada
30 7,5
25 5
50
30
Bioskop
Sangat berat Tidak ada
7,5
5
Bioskop Shop retail
Sedikit Tidak ada
15 10
10 7,5
Kantor Tidak ada (private) Kantor Banyak (private) Kantor Sedikit (general) Sumber: Carrier at al, 1965.
25
15
30
25
15
10
Apartemen Department stores Ruang rapat
Tabel IIa. Infiltrasi melalui pintu pada dinding manghadap asal angin. Kecepatan angin 7,5 mph.( 3.35 m/det.) Jenis pintu Ukuran 2100mm x 900mm Pintu putar (pemakaian normal) Pintu putar panel (keadaan terbuka) Pintu kaca dengan celah 5/16 in Pintu kayu Sumber: Carrier at al, 1965.
Tabel IIb.
CFM (Dibiarkan terbuka) Tanpa ruang Ada ruang depan depan 1200 900 700 500 700 500
Infiltrasi melalui sepasang pintu engsel pada dinding berlawanan. Kecepatan angin 7,5 mph.( 3.35 m/det.)
% waktu pembukaan pintu kedua. 10 25 50 75 100 Sumber: Carrier at al, 1965.
44
CFM PER SQ FT AREA Tdk Pakai dipakai sedang 0,8 5,2 4,5 10 1,0 6,5
10 100 250 500 750 1.000
CFM PER PASANGAN PINTU % waktu pembukaan pintu pertama 25 50 75 250 500 750 625 1.250 1.875 1.250 2.500 3.750 1.875 3.750 5.625 2.500 5.000 7.500
100 1.000 2.500 5.000 7.500 10.000
Pengaruh Udara Infiltrasi Terhadap Beban Pendinginan M.Yahya Nasution
Tabel II c. Infiltrasi melalui pintu engsel sewaktu dilalui orang . Kecepatan angin 7,5 mph.( 3.35 m/det.) CFM PER ORANG PER PINTU Pintu putar ( lebar72 in)
Pemakaian
Bank Tempat pangkas Deparment store . S Restoran Ruangan rumkit Sumber: Carrier et.al, 1965.
6,5 4,0 6,5 2,0 -
Gambar. 1 D
C adp
A
B
Pintu ensel lebar 900 mmX 2100mm. Tanpa ruang depan 8,0 5,0 8,0 2,5 3,5
Ada ruang depan 6,0 3,8 6,0 1,9 2.,6
STUDI KASUS Satu studi kasuas tentang infiltrasi udara ini pernah dilakukan di Medan pada tahun 1998 oleh penulis pada gedung pusat perbelanjaan Thamrin Plaza. Gedung memanjang dari barat ke timur dengan pintu utama pada lantai 2 menghadap barat dan selatan serta pintu kaca engsel ganda pada bagian timur dan void di bagian tengah gedung. Lantai satu dan tiga dilengkapi dengan tiga pasang pintu kaca engsel, pada dinding timur. Lantai 7 dilengkapi dengan sepasang pintu kaca engsel dan berhubungan dengan kolam renang dan udara bebas. Terjadi keluhan penyewa lantai 7 timur dan lantai satu karena temperatur ruang yang disepakati 24 oC tidak pernah dicapai dan pengukuran menunjukkan temperatur ruang 28 oC sampai 29 oC. Permasalahan tidak dapat di atasi secara sempurna walaupun setelah tabir udara diganti dengan pintu kaca engsel yang dibuat berlapis dengan ruang depan (vestibule). Pintu Timur yang terdapat pada lantai 1, 2, dan 3 selalu terbuka karena pengunjung menggunakan pintu ini dari dan ke gedung parkir. Hasil studi yang dilakukan untuk mencari penyebab tingginya temperatur ruang, berakhir pada kesimpulan infiltrasi udara yang terlalu besar.
Gambar. 2
45
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 7, No. 1 Januari 2005
Tabel III. Kondisi nyaman yang diturunkan dari ASHAE comfort chart Temp. efektip
71F 21,7C
72F 22,2C
73F 22,8C
74 22,3C
75 23,9C
75,5F 24,2C
Temp. kering F(C) 79 (26) 78 (25.5) 77 (25) 76 (24.5) 75 (24) 74 (23.5) 80 (26.5) 79 (26) 78 (25.5) 77 (25) 76 (24.5) 75 (24) 81 (27) 80 (26.5) 79 (26) 78 (25.5) 77 (25) 76 (24.5) 83 (28.5) 82 (27.5) 81 (27) 80 (26.5) 79 (26) 78 (25.5) 84 (29) 83 (28.5) 82 (27.5) 81 (27) 80 (26.5) 79 (26) 85 84 83 82 81 80
(29.5) (29) (28.5) (27.5) (27) (26.5)
PEMBAHASAN Untuk perhitungan beban pendinginan suatu gedung, kondisi ruangan yang diinginkan ditentukan terlebih dahulu, dan untuk kenyamanan (comfort aircondition) dapat dilihat pada Tabel III. Sebagai contoh pembahasan diambil temperatur efektif 730F (230C) dan 62% RH, temperatur kering 770F (250C) dan temperatur basah 680F (200C). Untuk gedunggedung perbelanjaan (mall) faktor sensibel biasa diperkirakan sebesar 0,7-:- 0,8 (Lang et al.,1969, Carrier et al.,1974). Dari data itu dapat dilihat gambaran psikometrik yang seharusnya terjadi, 46
Temp. basahF (C) 59 (13.5) 60,5 (16) 62 (16.5) 63,5 (17.5) 65,5 (18.5) 67 (19.5) 61 (16) 62 (16.5) 64 (17.5) 65 (18.5) 66,5 (19) 68 (20) 62 (16.5) 64 (17.5) 65,5 (18.5) 66,5 (19) 68 (20) 69 (20.5) 63 (17) 64,5 (18) 66 (19) 67 (19.5) 68 (20) 69,5 (21) 64,5 (18) 66 (19) 67 (19.5) 68 (20) 69,5 (21) 70,5 (21.5) 65 66 67 68,5 69,5 71
(18.5) (19) (19.5) (20.5) (21) (21.5)
Lembap nisbi(%) 29 35 42 51 60 69 32 38 45 52 61 70 34 41 48 55 62 70 32 38 44 51 58 65 33 39 46 53 60 66 33 38 43 49 56 64
seperti pada Gambar 2. Titik B yang menggambarkan kondisi ruang dapat bergeser sebagai akibat masuknya udara infiltrasi. Adanya udara infiltrasi telah menggeser kondisi ruang dari titik B ke titik C. Semakin besar jumlah udara infiltarsi semakin tinggi temperatur udara di dalam ruangan, dan disertai udara dingin yang keluar melalui pintu lain (exfiltration). Walaupun udara ventilasi sama dengan udara infiltrasi namun terlihat jelas udara ventilasi tidak menggeser temperatur ruangan, dan tetap di titik B. Dari hasil pengukuran (030998) Tabel IV, temperatur
Pengaruh Udara Infiltrasi Terhadap Beban Pendinginan M.Yahya Nasution
udara di dalam ruangan untuk lantai 1 timur yang mencapai 30,50C seperti terlihat pada gambar psikometrik (Gambar 3) merupakan akibat infiltrasi udara yang tidak terkendali. Gambar 3 memperlihatkan besarnya udara infiltrasi yang menyelinap ke dalam ruangan pada saat itu: (30,5 – 27,1)/ (32,1- 27,1) = 68 % Tabel IV hasil pengukuran (030998) memperlihatkan angka infiltrasi terbesar terjadi pada lantai 1 sebesar 68 % dan lantai 7 sebesar
85%. Analisa Gambar 3 memperlihatkan titik embun aparatus naik mencapai 170C, yang menandakan bahwa water chiller sudah tidak mampu mempertahankan temperatur air dingin 50C -:- 70C. Besarnya pengaruh udara infiltrasi terhadap beban pendinginan pada suatu gedung dapat terlihat seperti Gambar 4. Dari grafik ini terlihat jelas semakin besar persentase udara infiltrasi terhadap yang disirkulasikan semakin besar beban pendinginan gedung tersebut dan 60% infiltrasi membuat beban 200%.
Kondisi Udara AHU Lantai
1 2 3 4 5 6 7 8
Lokasi
Timur Barat Timur Barat Timur Barat Timur Barat Timur Barat Timur Barat F.C Utara F.C Selatan Timur TZ Timur Barat
Kondisi luar
Keluar
Masuk
Udara % Infiltrasi
C
%Rh
C
%Rh
C
%Rh
30.5 26.0 26.9 25.7 26.9 24.9 25.8 31.9 25.6 24.8 25.9 25.7 29.0 28.2 26.5 27.2 28.0
65.7 77.0 68.0 74.5 65.6 70.9 73.0 73.1 68.1 71.2 73.7 67.9 77.5 67.2 70.8 69.3 64.7
22.0 21.0 22.0 22.0 19.0 20.0 21.0 20.0 23.0 20.0 20.0 22.0 21.0 22.0 20.0 22..0 22.0
87.0 79.0 83.0 84.0 93.0 86.0 86.5 86.5 75.5 83.0 87.0 78.0 78.5 84.0 89.8 83.0 82.0
32.1 30.5 32.1 32.1 32.1 32.1 32.1 32.1 29.8 29.8 29.8 29.8 30.4 30.2 30.2 30.2 30.2
64.3 74.3 64.3 64.3 64.3 64.3 64.3 64.3 79.2 79.2 79.2 79.2 75.0 69.1 69.1 69.1 69.1
68.00 43% 18.11 25.58 10.34 13.25 24.09 5.75 4.54 13.79 25.00 5.75 85% 33.33 28.85 28.57 15.38
47
Jurnal Sistem Teknik Industri Volume 7, No. 1 Januari 2005
memberikan keyakinan bahwa penggunaan tabir udara pada pintu yang menghadap arah angin tidak dapat bekerja mengurangi infiltrasi seperti yang diharapkan. Udara dari tirai udara yang bergerak dari atas ke bawah dengan kecepatan awal 8m/dt dan 2m/dt di bagian bawah, ternyata terdorong ke dalam ruangan setelah berbenturan dengan angin yang bergerak dengan kecepatan yang hampir menyamai kecepatan tirai udara tersebut. Dari studi kasus ini dapat diambil satu kesimpulan bahwa langkah terbaik dalam mengurangi udara infiltrasi ini adalah dengan menghindari penempatan pintu utama pada dinding yang menghadap asal angin atau menggunakan ruang depan (vestibule) .
KESIMPULAN Untuk gedung-gedung yang terpaksa menempatkan pintu utama menghadap asal angin telah dilakukan berbagai cara antara lain: 1. Melengkapi daun pintu dengan dengan pegas (door brake). 2. Menggunakan daun pintu putar (revorving door). 3. Menggunakan pintu geser (sliding door). 4. Menggunakan tabir udara ( air curtain). 5. Membuat ruang depan. Penggunaan daun pintu berpegas ataupun daun pintu putar jauh lebih baik daripada tabir udara, namun udara infiltrasi yang menyelinap melalui pintu tetap akan lebih tinggi dari angka infiltrasi yang terjadi melalui pintu pada dinding yang tidak menghadap asal angin. Penggunaan pintu geser akan sangat baik dalam menangani infiltrasi udara namun tidak sesuai untuk pintu utama yang menghadap asal angin. Pengalaman
48
DAFTAR PUSTAKA ASHRAE Handbook, 2000, Chapter 25, Ventilation and Infiltration. USA. Carrier, 1965, Handbook of Air Conditioning System Design, Mc GRAW-HILL, New York, 1:89-151. Carrier, 1974, Air Conditioning Fundamentals section T200-03A, Carrier Corporation USA. Gunther C Reymond, 1973, Refrigeration Air Conditioning and Cold Storage, Bailey Brothers and Swinfen LTD. London, Jones, William Peter,1980, Air Conditioning Applications and Design, Edward Arnold Ltd. London WC1B 3DQ Jordan C and Priester B, 1981, Refrigeration and Air Conditioning, Prentice- Hall of India, New Delhi. Lang V.Paul, 1969, Principles of Air Conditioning, DELMAR PUBLISHERS INC. Bombay. Nasution M.Yahya 2001, Infiltrasi Udara Pada Gedung Swalayan Bertingkat Yang Dikondisikan.(Laporan Penelitian). .
