9
BAB II PENGUKURAN DAN PINDAH PANAS UDARA DALAM RUMAH KAYU Pendahuluan Ekologi berkaitan dengan kehidupan manusia dan lingkungan sekitarnya yaitu tanah, air, aliran udara, serta mempengaruhi pertumbuhan tanaman dan siklus kehidupan lain yang ada, berkaitan dengan proses pemanfaatan energi dan limbah. Secara keseluruhan itu merupakan satu lingkaran proses, dikenal dengan istilah permaculture. Diperlukan suatu langkah kegiatan yang memberikan dampak negatif terkecil dalam daur kehidupan itu (Hejgaard 2002). Sejarah dan Rantai Perkembangan Ecohouse Permaculture dari Perma(nent-agri)culture adalah pemeliharaan dan perancangan yang baik dan berorientasi terhadap lingkungan, kehidupan pertanian, dan sistem produksi yang memperhatikan ekosistem dimana fluktuasi dan stabilitas dari eco-system alami dijaga secara terintegrasi dari orang-orang yang berpikir secara harmonis dalam menyediakan makanan, energi, tempat berlindung, dan material yang digunakan. Koordinasi secara gabungan dan kooperatif untuk pelestarian alam dan bumi diperkenalkan kepada masyarakat sebagai suatu pendekatan ke arah perancangan lingkungan yang beraneka ragam secara fleksibel agar stabilitas kelestarian ekosistem alami terpelihara. Manusia sebagai sumber daya diusahakan untuk mengurangi kelelahan agar tenaga kerja di kawasan pertanian yang besar dan melelahkan itu mendapat ruang istirahat yang nyaman (Ernest 1998). Perincian kultur eco berkaitan dengan usaha mempertahankan kelestarian dari keseimbangan lingkungan. Rancangan Ecohouse mempunyai syarat utama yaitu berkaitan antara manusia dan alam, khususnya lahan pertanian. Tujuannya adalah supaya energi dapat terdaur ulang, dan memberikan dampak lingkungan paling kecil pada iklim, air, udara, flora dan fauna, serta lahan. Banyak proses kegiatan positif dalam kultur atau budaya lokal yang menjadi perilaku dan kebiasaan masyarakat. Hal ini hendaknya diberlakukan sesuai di masing-masing lokasi tinggal dan setiap individu. Penghuni kampung mempunyai kehidupan
10
berusaha-tani yang “bio-region”, yang memerlukan tanah, air, dan udara lingkungan yang tetap bersih dan terpelihara. Maka, untuk itu diperlukan suatu disain “Permanent Agriculture“ (Jackson 2002) Proses ketahanan berdasar pada konservasi dan regenerasi kehidupan yaitu a) mereduksi konsumsi energi dan dapat didaur ulang, b) material yang berkaitan dengan ekologi yang tidak berdampak buruk pada kesehatan, c) mempertahankan penyediaan air dan kualitas, d) memperkecil limbah, e) menjaga keseimbangan bumi dan lahan, sesuai isu kerusakan global (Wang et al. 2003). Telah diklasifikan lima zoning pembatasan suatu wilayah usaha tani, pada arah sektor dan vektor, terutama Zone-1 yang adalah rumah dan kebun tanaman pangan, Zone-2 lahan untuk masyarakat umum dan orchad, serta Zone-3 lahan untuk kebun tanaman keras dan perkampungan. Semua ini dihubungkan dengan keseimbangan lingkungan, hingga tercapai kondisi kenyamanan tubuh, yang dinyatakan dalam kurva keseimbangan kebutuhan tubuh (UNEP 2002). Pergerakan udara ruangan hanya di bagian atas saja, sedangkan bagian bawah hanya dapat imbasannya. Aktifitas ini kurang kuat, sehingga perlu tambahan ventilasi di bagian bawah yang digerakkan oleh udara ruangan bawah secara langsung. Angin ini akan langsung terasa oleh penghuni yang berada di bagian bawah ruangan. Ventilasi bawah yang terletak 20 cm dari lantai merupakan feature yang sudah lama dihilangkan, tapi sebenarnya merupakan ventilasi efektif, dan sebaiknya dikenalkan lagi. Kualitas udara jenuh yang tidak mengalir, akan menghambat sistem pelepasan kalor panas atau pernafasan permukaan kulit tubuh manusia. Oleh karena itu, diperlukan pergantian aliran udara kurang jenuh yang mengalir untuk menggantikan panas dalam sistem untuk mendinginkan suhu tubuh dan melancarkan pelepasan panas, hingga tercapai kenyamanan. Hal tersebut dinyatakan dengan ukuran ”pergantian udara per jam” (Saptono 2005). Udara yang mengandung polutan ternyata menyebabkan penyakit kulit, seperti skin diseases pada pekerja Industri Plywood di Kalimantan Selatan, dimana 35% pegawai mengidap penyakit kulit tineapedis, 21.3% menderita penyakit kulit akibat kontak dermatis, dan 10.6% mengalami alergi. Aspek ergonomika harus diperhatikan dalam merencanakan tempat kerja seperti tempat
11
duduk, meja kerja dan luas pandangan. Kelengkapan hal-hal tersebut diperlukan untuk menjamin sikap tubuh paling alami dan memungkinkan dilakukannya gerakan-gerakan yang dibutuhkan. Pada posisi berdiri dan pekerjaan ringan, tinggi optimum area kerja adalah 5-10 cm di bawah siku. Untuk pria tinggi ideal meja kerja adalah 90-95 cm, sedangkan untuk wanita 85-90 cm . Cermin Dunia Kedokteran No. 136 (2002) menunjukkan suhu lingkungan kerja yang terlalu tinggi, atau lingkungan kerja panas, akan mengganggu kenyamanan, karena mempengaruhi keseimbangan cairan dan elektrolit tubuh. Jika jumlah udara yang masuk dalam metabolisme tubuh tidak cukup, produksi urin akan menurun dan kepekatan urin meningkat (hipersaturasi/superaturasi). Hal ini bila berlangsung cukup lama dapat mendorong terbentuknya antara lain kristal dan batu asam urat di saluran kemih. Pendinginan aliran udara pasif berkaitan dengan lingkungan termal di bangunan beriklim tropis, dimana bangunan menjadi sangat panas sepanjang hari. Hal ini berkaitan dengan banyaknya panas surya yang masuk keselubung bangunan dan cahaya masuk kedalam bangunan (Dielshan et al. 2002). Ditelaah dari sudut pandang kenyamanan di siang hari suhu udara di dalam bangunan dibutuhkan lebih rendah dari suhu luar (Givoni 1994). Kondisi pemanasan radiasi di luar akan merubah udara di lingkungan tubuh manusia itu. Tingkat kenyamanan dari tubuh dinyatakan dengan persamaan Fanger (ASHARE 2001). Rancang bangun suatu struktur rumah sederhana Ecohouse sebagai kajian untuk penerapan teknik secara riil memanfaatkan aliran udara alami untuk menahan efek radiasi matahari di siang hari. Proses pengendalian lingkungan di dalam bangunan model adalah pendinginan. Pengujian dilakukan pada bangunan yang mempunyai model sederhana yang sama dengan pemukiman buatan Departemen Transmigrasi tahun 1995. Keberhasilan ini menjadi pokok untuk hipotesis bahwa pemindahan dan penyebaran penduduk yang semakin padat di pulau Jawa, ke seluruh pelosok Indonesia dapat dilakukan agar terjadi keseimbangan pola kepadatan penduduk. Analisa struktur
konstruksi kayu
bertujuan mempersiapkan struktur bangunan yang kuat dan sederhana, yang cukup mampu menahan beban orang tinggal dan beban konstruksi. Yang harus
12
dianalisis antara lain beban untuk pondasi, rangka serta sambungan, dan atap kuda-kuda pelana (Karlinasari 2006). Banyak penelitian dilakukan untuk sistim pengendalian lingkungan yang ekonomis dengan menggunakan microprocessor, walau pun grafik psikometri masih digunakan untuk mengetahui perubahan kelembaban dan suhu (Chao dan Gates 1995). Persyaratan bangunan rumah pemukiman dipengaruhi oleh faktor-faktor lingkungan seperti: 1 Pengaruh tata letak dan tata guna lahan 2 Perencanaan dan sistem perancangan struktur, yang tergantung pada lahan, sumber daya manusia, dan usaha untuk mempertahankan kehidupan, serta berkaitan dengan energi. Negara tropis mempunyai suhu dan kelembaban yang tinggi, maka untuk memenuhi kebutuhan kenyamanan penghuni, di pedesaan perlu energi yang dijabarkan dalam suatu sistem, seperti energi pendinginan untuk bangunan Ecohouse (UNEP 2003). Tujuan dari pembangunan pemukiman Ecohouse adalah berkurangnya dampak negatif pada lingkungan, penghematan, kesehatan, dan seni yang menggugah perasaan. Dalam Standar IBPSA pada bidang arsitektur untuk Ecohouse, bentuk dan habituasi masyarakat akan memberikan informasi yang efektif dalam pengembangan bangunan sesuai kebutuhan (Hensen 1995 dan Hayes et al. 2001).
Gambar 3 Ilustrasi perpindahan panas dari matahari ke bumi (Tiwari 2002) Perpindahan panas radiasi, konveksi, dan konduksi yang terjadi dalam suatu bangunan akan memberikan pengaruh pada distribusi suhu, tekanan, dan aliran
13
udara. Sebagai kontribusi terhadap lingkungan indoor atau bagian dalam bangunan yang baik dan berkelanjutan, ventilasi telah dikembangkan agar aliran udara yang bersifat lokal, yang bergerak di sekitar tubuh orang dan sangat dipengaruhi oleh kondisi sekitarnya, dapat didekatkan dengan posisi ventilasi yang diberikan dalam pergerakan udara dalam itu. Proses pindah panas dapat dilihat dari ilustrasi proses panas yang mengenai bumi, seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.
Gambar 4 Ilustrasi persentase panas mengenai bumi (Hopskins 2007) Sinar radiasi matahari yang datang di atas atmosfer sebesar 342 watt terpencar menjadi radiasi teradsorpsi 67 watt. Sinar itu kemudian mencapai permukaan bumi sebesar 168 watt, terefleksi karena awan di atmosfer 77 watt, dan terefleksi di permukaan awan 30 watt. Panas di permukaan bumi menghasilkan evaporasi dan transpirasi adalah sebesar 78 watt, sedangkan yang pindah ke udara 24 watt. Radiasi ini menghasilkan gelombang panjang yang dipantulkan ke udara dalam bentuk emisi infared sebesar 350 watt, yang tertransmisi melalui atmosfer 40 watt sehingga total yang kembali ke atmosfer 235 watt (ditampilkan pada Gambar 4). Pendinginan alami adalah teknik pendinginan pasif pada beberapa kasus yang digunakan untuk mengurangi atau menghapuskan proses pengaturan suhu,
14
tanpa alat mekanis. Efektivitas energi dan biaya perlu dipertimbangkan oleh pemilik rumah dan ahli bangunan dalam merancang sistem pendinginan alami. Kenyamanan di musim kemarau diperoleh dengan memelihara temperatur udara dalam rumah di bawah 24 °C. Temperatur tinggi, kelembaban tinggi, atau kedua-duanya dapat membuat orang merasa gelisah. Ada tiga sumber panas utama yang tak dikehendaki yaitu pemindahan kalor dan asupan dari bagian luar yang temperaturnya tinggi, perpindahan kalor sebagai dampak sinar matahari yang masuk ke dalam bangunan melalui kaca, atap, jendela dan unsur elemen material bangunan lainnya, serta panas internal yang diproduksi oleh peralatan dan penghuni. Potensi yang terbesar berasal dari arah barat daya, karena adanya angin Moonson untuk Indonesia. Rumah dibangun berorientasi arah barat–timur dan mempunyai sepertiga luas lantai yang mengarah pada pandangan menuju arah selatan. Sisanya ditempatkan pada dinding barat dan timur. Rumah ini akan mengalami kelebihan pemanasan, berkisar 1.7-3.2 J s-1 pada bulan Juli. Ini berarti sekitar 0.045-1 kg udara harus didinginkan agar proses pengaturan suhu di masing-masing posisi berjalan dengan baik pada puncak kondisi, sehingga diperoleh ruang yang nyaman di siang hari itu. Pengendalian panas yang masuk dalam rumah harus dilakukan dengan memperhatikan bentuk dan macam material tembok dan lantai, yang mempunyai massa panas tertentu dan bertindak sebagai penahan panas. Panas menaikkan temperatur internal bahan dan pada malam hari bukaan ventilasi atau pendingin mekanik akan menurunkan kembali suhunya. Tujuan Penelitian a
Menganalisa karakteristik lingkungan dalam bangunan konstruksi kayu rumah percobaan ecohouse yang meliputi proses pindah panas, pergerakan aliran udara dan distribusi suhu.
b
Mengkaji pindah panas yang terjadi dari radiasi gelombang pendek cahaya matahari yang mengenai selubung bangunan mengubah suhu dalam bangunan.
15
Tinjauan Pustaka Perencanaan Ecohouse sebagai Bangunan Geometri Sederhana Menurut Hand Book of Ecohouse Australia (2001), kondisi batas radiasi matahari dan perubahannya pada suatu bangunan dapat digambarkan sebagai berikut (lihat Gambar 5 dan Gambar 6). Peredaran matahari siang dan malam hari memberikan berkas radiasi pada atap bangunan, yang selanjutnya dihantarkan masuk ke dalam ruang bangunan.
Gambar 5 Ilustrasi dari penerimaan panas lingkungan pada bangunan (Handbook of Ecohouse Australia 2001)
Gambar 6 Peletakan tatanan aliran udara dalam suatu bangunan (Handbook of Ecohouse Australia 2001) Wilayah dan Kependudukan Transmigran Menurut Hauser (1959) dan Kemmeyer (1971) dalam Bandiyono (1998) demografi dapat dipahami dari dua segi yaitu demografi formal dan demografi sosial. Pemerintah pusat selalu berupaya untuk menangani masalah masalah kenaikan jumlah penduduk di kota-kota besar untuk mengendalikan dampak yang negatif bagi
16
perkembangan kota tersebut. Faktor yang menghambat perkembangan desa adalah daya tolak di desa dan faktor menarik di kota. Urbanisasi akan mempengaruhi daerah pedesaan yang ditinggalkan maupun di kota yang dituju. Pembangunan di daerah pedesaan akan semakin menurun sesuai produktivitas, sumber penghasilan, dan tenaga pengelola. Salah satu upaya yang dilakukan pemerintah untuk mengurangi
pengangguran
di
Indonesia
adalah
program
transmigrasi.
Transmigrasi adalah perpindahan penduduk dari satu provinsi atau pulau yang padat penduduk ke provinsi atau pulau lain yang jarang penduduknya dalam satu wilayah negara (UU No.3 Tahun 1972 tentang Ketentuan-ketentuan Pokok Transmigrasi). Pemerintah melaksanakan program transmigrasi antara lain untuk meratakan penyebaran penduduk Indonesia. Pemerintah melalui Departemen Transmigrasi RI sejak tahun 1972 telah memberikan fasilitas-fasilitas bagi transmigran dalam rangka mendukung program transmigrasi. Fasilitas yang disediakan pemerintah bagi tiap keluarga antara lain lahan garapan seluas 2-2.5 hektar, dana bantuan sebesar Rp. 16-20 juta, alat-alat pertanian, dan brosur-brosur penyuluhan tentang cara mengelola lahan yang baik dan jenis tanaman budidaya apa yang cocok untuk ditanam pada lahan tersebut. Bandiyono (1998) menyatakan bahwa perkembangan daerah transmigrasi dapat dibagi menjadi 5 (lima) tahap. Tahap pertama adalah pada masa kolonialisasi yang dimulai tahun 1905, dimana diberangkatkan sejumlah 155 Kepala Keluarga (KK) yang berasal dari Karesidenan Kedu–Jawa Tengah menuju Tanjung Karang-Lampung. Tahap selanjutnya adalah Kolonisasi II (1905-1942), dimana penduduk dari Pulau Jawa sebanyak 60155 KK dipindahkan ke sembilan propinsi di luar Pulau Jawa. Perpindahan selanjutnya adalah pada tahap PraPELITA (1950-1968) sebanyak 98631 KK, pada tahap PELITA satu sampai dengan PELITA enam (1969-1998) sebanyak 1808823 KK, pada tahun 2000 berjumlah 6756 KK, pada tahun 2001 sebanyak 22609 KK, tahun 2002 sebanyak 23907 KK, tahun 2003 sebanyak 19678 KK, tahun 2004 sebanyak 14821 KK dan pada tahun 2005 sebanyak 619 KK. Pembangunan transmigrasi yang sudah ada (PTA) juga telah melaksanakan rehabilitasi rumah tinggal dan jamban keluarga sebanyak 159 unit pada 24 provinsi. Pada lokasi transmigrasi juga disediakan rumah tinggal tipe Rumah Sangat Sederhana yang telah dialiri listrik dan air bersih, yang terletak dalam suatu
17
kawasan pemukiman yang disebut Unit Pemukiman Transmigrasi (UPT). Pemukiman ini memiliki struktur pemerintahan yang setara dengan sebuah desa dan memiliki sarana dan prasarana yang dapat mendukung dan memenuhi kebutuhan hidup masyarakat transmigran sesuai dengan sistem pemerintahan yang menyangkut pembangunan daerah. Fasilitas di pemukiman transmigrasi memperbaiki dan menyempurnakan masyarakat lokal dan transmigrasi, dan sejak tahun 2008 dicanangkan sebagai Program Kota Terpadu Mandiri (KTM). Sesuai dengan 1) Undang Undang Nomor 4 Tahun 1992 tentang Perumahan dan Permukiman (Lembaran Negara Tahun 1992 Nomor 23, Tambahan Lembaran Negara Nomor 3469), 2) Undang Undang Nomor 22 Tahun 1999 tentang Pemerintahan Daerah (Lembaran Negara Republik Indonesia Tahun 1999 Nomor 60, Tambahan Lembaran Negara Republik Indonesia Nomor 3839), 3) Peraturan Pemerintah Nomor 80 Tahun 1999 tentang Kawasan Siap Bangun dan Lingkungan Siap Bangun Berdiri Sendiri (Lembaran Negara Tahun 1999 Nomor 171, Tambahan Lembaran Negara Nomor 3892), bahwa pemerintah menetapkan Pedoman Teknis Pembangunan Rumah Sederhana Sehat (RS Sehat) sebagai bagian integral dari pembangunan daerah untuk melaksanakan pembangunan pedesaan baru dan rehabilitasi, serta meningkatkan sarana dan prasarana permukiman transmigrasi yang sudah ada. Hal ini bertujuan mendukung perkembangan permukiman transmigrasi dan desa sekitarnya, yang meliputi pembangunan desadesa baru yang terintegrasi dalam Satuan Kawasan Pengembangan (SKP) dan wilayah pengembangan parsial. Kawasan pemukiman dari pusat pusat pertumbuhan yang sudah ada akan mendorong pertumbuhan desa-desa yang kurang berkembang melalui pertambahan penduduk dan pembangunan prasarana. Keputusan Menteri Permukiman dan Prasarana Wilayah Republik Indonesia Nomor: 403/KPTS/M/2002 menetapkan Pedoman Teknis Pembangunan Rumah Sederhana Sehat (RS Sehat) untuk Penyiapan Sarana Dan Prasarana Permukiman Transmigrasi dalam membangun perkampungan berdasarkan 1) Peraturan Pemerintah Nomor 25 Tahun 2000 tentang Kewenangan Pemerintah dan Kewenangan Propinsi sebagai Daerah Otonom (Lembaran Negara Republik Indonesia Tahun 2000 Nomor 54, Tambahan Lembaran Negara Republik Indonesia Nomor 3952). 2) Keputusan Presiden Republik Indonesia Nomor 228/M Tahun 2001 tentang Kabinet Gotong Royong, Keputusan Presiden
18
Republik Indonesia Nomor 102 Tahun 2001 tentang Kedudukan, Tugas, Fungsi, Kewenangan, Susunan Organisasi, dan Tata Kerja Departemen, 3) Keputusan Menteri Pekerjaan Umum Nomor 20/KPTS/1986 tentang Pedoman Teknik Pembangunan Perumahan Sederhana Tidak Bersusun 4) Keputusan Menteri Pekerjaan Umum Nomor 01/KPTS/1989 tentang Pedoman Teknik Pembangunan Kapling Siap Bangun, Peraturan Menteri Pekerjaan Umum Nomor 54/PRT/1991 tentang Pedoman Teknik Pembangunan Perumahan Sangat Sederhana serta 5) Keputusan
Menteri
Kesehatan
Nomor
829/Menkes/SK/VII/1999
tentang
Persyaratan Kesehatan Perumahan. Berdasarkan keputusan tersebut, sebuah rumah: 1
Merupakan salah satu kebutuhan dasar manusia dan merupakan faktor penting dalam peningkatan harkat dan martabat manusia, maka perlu diciptakan kondisi yang dapat mendorong pembangunan perumahan.
2
Menjaga kelangsungan penyediaan perumahan bagi seluruh lapisan masyarakat khususnya yang kemampuannya terbatas dan berpenghasilan rendah, belum mampu membeli rumah yang layak, sehat, aman, serasi, dan teratur. Pembangunan perumahan perlu dilakukan secara bertahap sesuai dengan keragaman potensi bahan bangunan dan budaya lokal di Indonesia.
3
Menanganani bentuk perumahan yang berbeda-beda pada setiap daerah, sesuai dengan potensi lokal, agar biaya pembangunan terjangkau oleh masyarakat
berpenghasilan
rendah.
Pedoman
teknik
pembangunan
perumahan sederhana tidak bersusun, pedoman teknik pembangunan kavling siap bangun dan pedoman teknik pembangunan perumahan sangat sederhana perlu untuk ditingkatkan. 4
Menyediakan perumahan yang mengakomodasi potensi bahan bangunan, budaya dan aspirasi lokal perlu dilengkapi dengan menyempurnakan pedoman teknik yang sudah ada. Perlu pengaturan dan penetapan pedoman teknis pembangunan rumah sederhana sehat berbasis pada potensi lokal. Hal ini perlu ditetapkan dengan Surat Keputusan Menteri Permukiman dan Prasarana Wilayah bahwa Pemukiman Transmigrasi sebagai bagian dari Pembangunan daerah transmigrasi adalah sebagai bagian integral dari pembangunan daerah.
19
Disain Bangunan Ekologi di Pedesaaan Jumlah penduduk tahun 2000-2025 di Jawa Barat dalam kurun waktu 25 tahun akan meningkat dari 35.7 juta jiwa menjadi 52.7 juta jiwa (Lampiran 2).
Gambar 7 Rumah Transmigran & Lahan Transmigran (Priayanto dalam Laporan Transmigrasi 1995) Bangunan seperti gambar 7 telah dikembangkan untuk pemukiman yang modern (dimulai 2009) di daerah-daerah seperti Teluk Bawang (Sumatera Selatan), Merauke (Irian), dan beberapa tempat lain. Seluruh bangunan yang ada menjadi inspirasi dibuatnya model seperti bangunan di Laboratorium Teknologi Hasil Hutan Fakultas Kehutanan IPB.
a
b
c
Gambar 8 Spesifikasi rumah transmigrasi RTNP-36 dari kayu siap pakai a) Tipe 2 ruangan, b) Tipe 3 ruangan, dan c) Tipe 4 ruangan (Departemen Pemukiman dan Pengembangan Wilayah 2000)
20
Gambar 9 Pengembangan bangunan untuk daerah Kota terpadu Mandiri Merauke (Departemen Pemukiman dan Pengembangan Wilayah 2000) Bangunan percobaan model rumah transmigrasi berada pada latitude rendah dan beratap rendah sehingga pada musim panas terpengaruh oleh pergerakan energi surya yang menghantarkan panas radiasi ke bangunan. Radiasi tersebut terhambat oleh lindungan tanaman sekitar. Struktur bangunan yang berbeban ringan memberikan sekat dan atap yang baik. Bangunan harus menghadap ke arak utara-selatan supaya sinar matahari masuk melalui jendela dan aliran udara ventilasi dapat menyeberang ruang bangunan (Gambar 10). Bangunan ini mempunyai slope atap yang tinggi sehingga terjadi ventilasi dari arah atas. Naungan pepohonan memberikan aliran udara alami di bagian bangunan dan di bawah lantai. Bangunan dengan atap beton dan slope yang rendah menerima radiasi surya sehingga terjadi pemanasan langsung. Dinding tembok akan menyimpan panas yang dihantarkan ke dalam bangunan sehingga terjadi selubung mikro-klimat yang panas dan untuk hantaran di bagian dalam diperlukan mikro-klimat yang lebih dingin. Bangunan rumah pemukiman Ecohouse di Indonesia direncanakan memiliki geometri sederhana, yang lembab dan panasnya dipengaruhi oleh peredaran matahari. Pada siang hari ada berkas panas radiasi pada lantai, dinding, dan atap bangunan yang dihantarkan masuk ke dalam ruang bangunan, sedangkan pada malam hari terjadi proses pendinginan. Nodal Network dengan CFD dapat digunakan untuk menduga perubahan kecepatan aliran yang bervariasi dan distribusi suhu dalam berbagai dimensi ventilasi untuk mencapai kondisi pendinginan dan pemanasan suatu ruang.
21
Gambar 10 Pergerakan aliran udara luar masuk ke tengah ruang dibatasi oleh naungan bangunan (Chalermwat et al. 2002) Kajian Lapang untuk Lingkungan Pedesaan yang Nyaman Bogor yang lokasinya sangat dekat dengan ibukota negara sangat strategis bagi perkembangan dan pertumbuhan ekonomi dan jasa, pusat kegiatan nasional untuk industri, perdagangan, transportasi, komunikasi, dan pariwisata.
Gambar 11 Peta Indonesia (NASA - USA 2010) Areal hijau dan areal bangunan dengan perbandingan 1:1 atau 1:2, jumlah curah hujan, kondisi suhu dan angin, serta kelembaban dan kecepatan angin digunakan sebagai bahan analisis untuk domain bangunan. Sinar surya tiga tahun terakhir menunjukkan bahwa rata-rata curah hujan Bogor di atas 1200 mm. Total luas wilayah Bogor 118.5 km2. Luas lahan kabupaten Bogor mencapai 29 383 830 Ha, dan yang menjadi kawasan hutan 3 750 989 Ha, sekitar 12.55%, meliputi 82 desa dan 74 desa yang sudah tertib administrasi. Jumlah penduduk 834 ribu jiwa. Pada tahun 2009 masih didapatkan sekitar 30% penduduk dalam kondisi pendapatan yang rendah. Jumlah penduduk kota Bogor per kecamatan menurut
22
jenis kelamin tahun 2006 ditampilkan pada Tabel 2. Bogor terletak diantara 106o43’30” BT-106o43’30” BT dan 30o30” LS-6o41’0”LS. Ketinggian rata-ratanya 190 m, dengan kampus IPB Darmaga berada 290 m dpl. Menurut klasifikasi Oldeman Bogor memiliki 9 bulan basah atau termasuk kategori iklim A. Tabel 1 Luas panen, hasil per hektar, dan produksi padi di Jawa Barat tahun 2005 Padi
Sawah
Ladang
Kawasan /
Luas
Hasil /
Produks
Luas
Hasil /
Produks
Luas
Hasil /
Produks
Kota
Pane
Hekta
i
Pane
Hekta
i
Pane
Hekta
i
Bogor
n
r
n
r
n
r
(Ha)
(Kw)
(Ha)
(Kw)
(Ha)
(Kw)
(Ton)
79 1.750 316 1.894 1.880 796 1.631 142 1.792 669 Badan 320
51.88 52.68 51.65 51.07 52.72 51.15
26.94 0 26.39 25.19 26.53 24.66
7.651 0 306.724 302.796 345.559 295.491
Kabupate Kota n Jawa Bogor 2004 Barat 2003 2002
*)Sumber:
(Ton)
411.511 76 9.219 1.750 476 9.787 1.778 9.602 1.759 217 583 8.602 1.501 302 938 9.166 1.672 447 397 Pusat Statistik 872 Propinsi 478
(a)
(Ton)
52.81 52.68 53.30 52.84
403.860 2.840 9.219 0 9.480 116 9.299 120 493 213 8.256 130 506 204 53.04 8.871 119 54,99 888 272 Jawa Barat 2008 381 842
(b)
Gambar 12 Peta lokasi a) Darmaga di kota Bogor, b) IPB–Darmaga Tabel 2 Kependudukan wilayah administrasi Daerah Kota Bogor. Kecamatan
Laki-Laki
Perempuan
Jumlah
Bogor Selatan
77 254
73 881
151 135
Bogor Timur
38 307
38 958
77 265
Bogor Utara
64 148
61 710
125 858
Bogor Barat
86 496
84 148
170 644
Bogor Tengah
46 235
46 620
92 855
Tanah Sareal
67 006
65 487
132 493
Jumlah
379 446
370 804
750 250
23
Bangunan Konstruksi Kayu Darmaga Secara geografis Kota Bogor terletak di antara 106’ 48’ BT dan 6’ 26’ LS, atau berada di tengah-tengah wilayah Kabupaten Bogor. Daerah Darmaga mempunyai karakteristik hujan yang tinggi, sehingga kelembaban malam hari dapat mencapai seratus persen dan terjadi kondensasi. Kota Bogor mempunyai ketinggian minimum 190 m dan maksimum 330 m dari permukaan laut. Suhu rata-rata tiap bulannya 26 oC dengan suhu terendah 21.8 oC dan suhu tertinggi 30.4 oC. Kelembaban udaranya 70%, dan curah hujan rata-rata setiap tahun 3500– 4000 mm dengan curah hujan terbesar pada bulan Desember dan Januari. Standar Bangunan Ecohouse Menurut UNEP Standar Ecohouse menurut UNEP sudah diterapkan di Pathumthani, Bangkok, Thailand (AIT 2002 dan Boonyatikarm 2007). Banyak pengaruh dari kondisi eksternal bangunan yaitu: a
Topografi, berkaitan dengan pergerakan angin
b
Usaha untuk menyimpan air dalam aquifer di sekitar bangunan dan air itu tersirkulasi agar dapat membuat keseimbangan baik siang hari dan malam hari
c
Ketinggian sudut datang dan berkas sinar surya yang jatuh di permukaan dalam (fluks), temperatur udara naik sesuai latitude, dengan kenaikan diduga 2 oC setiap 300 meter
d
Vegetasi yang dipengaruhi efek dari semua aspek dari mikro-klimat
e
Tingkat urbanisasi dengan semakin banyak bangunan di permukaan lahan akan mempengaruhi efek panas bangunan
f
Permukaan tanah yang berbeda jenis tanah maka permukaan lahan akan memberikan perbedaan panas yang akan disimpan oleh lahan itu
Gambar 13 Standar Ecohouse (UNEP 2002)
24
g
Kapasitas pantulan cahaya dan kandungan air tanah yang memberikan dampak pada temperatur lingkungan sekitarnya
h
Cahaya dipantulkan sesuai dengan warna bangunan bila terbuat dari batuan maka akan menyerap panas lebih banyak pada siang hari dan membuangnya pada malam hari seperti permukaan daun tanaman yang akan menguap dan memberikan O2 pada malam hari dari dedaunan
i
Umur dan jenis kelamin, karena metabolisme dan aktifitas setiap orang berbeda, tingkat aktifitas akan memberikan efek pada laju metabolisme
Teori Pindah Panas Bangunan Ecohouse dengan Numerik Hukum pertama termodinamika menyatakan jumlah panas dan energi mekanis yang masuk suatu volume terkendali ditambah jumlah energi panas diturunkan di dalam volume adalah sama dengan jumlah panas yang dihasilkan yang memadai dengan jumlah panas yang berpindah dan daya mekanis yang meninggalkan volume ditambah dengan peningkatan energi disimpan di dalam volume terkendali. Di dalam ilmu fisika bangunan simpanan energi panas pada umumnya berkenaan dengan energi internal, yang adalah energi kinetik molekul itu. Pada fluida udara energi mekanis merupakan hasil dari suatu perubahan volume (ekspansi panas) pada tekanan tetap (kerja di dalam volume) dan kondensasi uap air (panas laten). Properti ini sama dengan jumlah energi internal, panas laten dan kerja di volume disebut entalpi. Format energi mekanis dalam fisika bangunan dapat dikonversikan menjadi panas. Mengacu pada kaidah pertama bahwa keseimbangan panas dari sebuah volume terkendali, ada tiga mekanisme mengangkut panas yang berlaku yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Menurut Blomberg dalam HEAT (1998) dalam memperhitungkan pergerakan panas digunakan suatu program dua-dimensi pada posisi mantap, bermuatan konduksi panas di dalam objek, yang kemudian diuraikan dengan perhitungan menggunakan cara komputasi pada suatu model pemanasan benda bentuk segi-empat. Proses pindah panas dihitung dari nilai U hantaran pindah panas pada material konstruksi bangunan, nilai temperatur material untuk menghindari resiko terjadinya kondensasi di permukaan, rata-rata panas yang
25
hilang di tanah, dan nilai-nilai hasil optimasi dari suatu rumah yang berkenaan pada lingkungan yang tepat. Cara kerja pemikiran dalam program ini adalah bangunan geometri sederhana dimulai dengan membagi segmen untuk masukan jumlah mesh/grid dalam suatu bidang yang digunakan pada saat awal (IC). Agar memudahkan dan memperkecil prosedur pemasukan data yang perlu, nilai kemampuannya ditunjukkan pada gambar grafis. Hasil yang diperoleh adalah data dan gambar, dimensi, material, jumlah kuantitatif mesh, syarat batas, temperatur. Daerah rongga internal cavity yang berisi fluida udara mendapat hambatan dari suhu pendinginan. Aliran panas dan temperatur yang terjadi tercatat sepanjang simulasi berdasar posisi dan suhu. Temperatur berubah pada posisi x, berbentuk fungsi sinusoidal, linier atau tetap menurut langkah data program yang dipakai. Syarat batas aliran panas ditentukan pada suatu temperatur, sebagai batasan permukaan aliran panas. Struktur mesh berbentuk segi-empat panjang dan saling bersisihan, sumber daya pemberian panas adalah batasan internal penentuan temperatur dalam program. Selain keterikatan dalam pemecahan panas konduksi dalam proses, di segi empat koordinat Cartesian diperlukan juga input data dari masukan isolasi pada tepi papan material. Dalam memperhitungkan pergerakan panas digunakan suatu program duadimensi pada posisi mantap. Material kayu bangunan ini bermuatan konduksi panas, yang diperhitungkan dengan menggunakan model matematika yaitu penghantaran panas dari model segi-empat. Perhitungan nilai U konstruksi bangunan kayu sebagai isolasi lingkungan yang tepat dan juga nilai temperatur permukaan untuk komputasi hitung rerata panas hilang di tanah dilakukan sebagai perhitungan optimasi dari suatu rumah (Blomberg 1998). Caranya adalah dengan memasukan sejumlah mesh (IC), untuk memudahkan dan memperkecil prosedur pemasukan data, dan menunjukkan kemampuan pada gambar grafis. Dari situ diperoleh data dan gambar, dimensi, material, jumlah kuantitatif mesh, syarat batas, dan temperatur isoterm. Aliran panas dan temperatur yang terjadi terekam dan ditunjukkan sepanjang simulasi berdasar lokasi dan waktu. Temperatur berubah pada waktu t berbentuk fungsi sinusoidal, linier atau tetap menurut langkah data program yang dipakai. Syarat batas aliran panas ditentukan oleh suatu temperatur, seperti batasan permukaan aliran panas. Pada struktur mesh
26
berbentuk segi-empat panjang yang saling bersisihan, kombinasi material juga digunakan. Modifikasi pemberian panas dari sumber daya, adalah batasan-batasan internal dari temperatur yang ditentukan. Daerah internal cavity berisi udara dengan temperatur tunggal, terjadi hambatan radiasi dalam rongga. Kajian Pindah Panas Radiasi Di luar Selubung Bangunan Menurut Tiwari (1998) dan Subiyanto (1998), pindah panas terjadi karena radiasi, konveksi, dan konduksi. Hantaran panas dinyatakan dengan suhu udara lingkungan pada bangunan (T oC). Perubahan radiasi dipengaruhi jumlah intensitas radiasi yang datang, yaitu: a
Extraterrestrial Radiation (ION) atau radiasi yang terjadi di luar daerah atmosfer. Menurut Tiwari (1998) pada bulan Juni besarnya radiasi berkisar 1367 W m-2 di daerah Bandung. Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: ................................................................. (1) Keterangan: Isc = Rata-rata energi radiasi matahari (1353 W m-2) n
= Hari ke-n dalam satu tahun
b Terrestrial Radiation (In) atau radiasi yang masuk ke dalam atmosfer (daerah terrestrial secara langsung, radiasi tidak langsung (pembauran) dan radiasi total). Radiasi ini dipengaruhi oleh turbidity factor = 2.7 dari atmosfer dan altitude = 190 m, bulan Juni di perbukitan. Radiasi tersebut dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: .............................................................. (2) .............................................................................................. (3) ...................................... (4) ..................................................... (5) .............................................................................................. (6)
...................................................................... (7) .................................................................................... (8)
27
................................................................... (9) Keterangan: TR
= Turbidity Factor
α
= Ketinggian permukaan
Tabel 3 Nilai turbidity factor berbagai altitude wilayah per bulan per tahun Bulan Jenis daerah ke- Perkotaan Dataran Pegunungan 1 3.10 2.20 1.80 2 3.20 2.20 1.90 3 3.50 2.50 2.10 4 3.90 2.90 2.20 5 4.10 3.20 2.40 6 4.20 3.40 2.70 7 4.30 3.50 2.70 8 4.20 3.30 2.70 9 3.90 2.90 2.50 10 3.60 2.00 2.10 11 3.30 2.30 1.90 12 3.10 2.20 1.80 Tm 3.70 2.76 2.15 Sumber: Bansal et al. (1990) dalam Tiwari (1998)
c
Diffuse Radiation (Idh) Diffuse radiation (Idh) merupakan radiasi yang tidak langsung jatuh ke permukaan bumi pada daerah terestrial sehingga terjadi pembauran. Radiasi tidak langung terjadi pada permukaan mendatar dan pemukaan miring. Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: ........................................................................ (10) ............................ (11) Keterangan: θi
= Sudut datang matahari
(o)
αs
= Sudut altitude matahari
(o)
β = Sudut inklinasi
(β = 30o)
28
αw
= Sudut tegak/vertical
(o)
γs
= Sudut azimuth Matahari
(o)
Ф
= Besar latitud
ω
= Sudut jam matahari
(o)
δ = Sudut deklinasi
d
(o)
Idh
= Radiasi tidak langsung pada pemukaan mendatar (W m-2)
Idi
= Radiasi tidak langsung pada permukaan miring (W m-2)
Reflektivitas Radiation (Ir) Reflektivitas radiation (Ir) adalah radiasi yang jatuh ke permukaan bumi dan dipantukan kembali ke atmosfer. Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berukut: ........................................................................................ (12) ...................................................................................... (13) ........................................................................ (14) Keterangan: Ibh
= Radiasi pantulan pada tipe permukaan (W m-2)
ρg
= Konstanta refleksi
Ith
= Radiasi pantulan pada permukaan mendatar (W m-2)
Ir
= Total radiasi pantuan (W m-2)
β = Sudut inklinasi Tabel 4 Nilai Konstansta Refleksi dengan Berbagai Jenis Permukaan Jenis permukaan
Konstanta refleksi
Permukaan nomal bumi
0.21 – 0.45
Permukaan air
0.16
Permukaan es dan salju
0.16 – 0.78
Sumber : Bansal et al. (1990) dalam Tiwari (1998)
e
Total Radiation (Iti) Total Radiation (Iti) adalah radiasi total yang diterima oleh permukaan bumi.
Radiasi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: ....................................................................... (15)
29
Kajian Pindah Panas Radiasi Dalam Bangunan Radiasi adalah proses transfer energi melalui gelombang elektromagnet. Radiasi tidak merambat pada suatu material dan terjadi pada ruang hampa. Radiasi merupakan bagian dari energi yang dapat dinilai berdasarkan besarnya suhu. Saat energi radiasi mengelilingi setiap bagian atau seluruh partikel maka akan terjadi perpindahan panas. Besarnya energi radiasi bergantung pada suhu permukaan dari partikel tersebut. De Witt (1998) menyatakan bahwa persamaan besarnya perpindahan panas karena radiasi digambarkan oleh persamaan berikut:
Q T 4 ......................................................................................... (16) Keterangan: ε = Emisivitas permukaan σ = Konstanta Boltsman-Stefan 5.67x10-8 W m-2K-4 T = Suhu permukaan luar (K) Q = Pindah panas Konduksi (Joule)
Kajian Pindah Panas Dalam Bangunan Secara Konveksi Konveksi adalah transfer panas dari satu bagian fluida ke beberapa bagian lain dengan suhu rendah dari pencampuran partikel fluida. Pergerakan fluida dapat terjadi karena adanya paksaan ataupun secara alami. Apabila pergerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan tekanan maka kondisi tersebut dapat disebut konveksi paksa (Tiwari 1998). Dick Bourne (2004) menyatakan bahwa proses percepatan sentrifugal gravitasi perlu digantikan posisinya sesuai dengan posisi fluida. Gaya pergerakan akibat viskositas ini dapat diabaikan. Pada dua plat dengan perbedaan perubahan suhu yang kecil dimana salah satu plat diberikan pendinginan, pergerakan dari viskositas fluida udara pada posisi tersebut akan terhambat. Kondisi ini dinyatakan dalam Rayleigh number.(Ral.)
Q h A T
....................................................................................... (17)
Keterangan: Q
= Pindah panas Konduksi (Joule)
30
h
= Koefisien pindah panas
A
= Luas permukaan (m2)
∆T = Perbedaan suhu permukaan (K) Koefisien pindah panas konveksi (h) pada permukaan vertikal (v) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan dibawah. Pergerakan aliran udara dengan daya alami dinyatakan dengan rumus Prandtl untuk turbulen :
Nu Cp ……………………………..……………………….……(18) k Pergerakan aliran udara dengan daya mekanis, dinyatakan dengan rumus: Pr
.............................................. (19) Untuk pergerakan aliran udara karena bouyancy , ............................................................................... (20) ............................................................................................. (21) Nilai konduktivitas panas konveksi pada permukaan vertikal (i) dengan membentuk sudut θ dapat diketahui dengan menggunakan persamaan di bawah.
.............................................. (22)
.............................................. (23) .......................................... (24)
31
Nilai konduktivitas panas konveksi pada permukaan horizontal (h) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan di bawah. ......................................................................................... (25) ............................................................... (26) Kajian Pindah Panas Dalam Bangunan Secara Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas yang merambat dari material satu ke material yang lain atau merambat dari satu partikel ke partikel yang lain. Pindah panas konduksi biasanya terjadi pada daerah lantai dan lapisan dinding. (Alexandre et al. 2000; Carey et al. 2004; dan Holman 2001). Persamaan besarnya perpindahan panas karena konduksi digambarkan oleh (Kreider dan Ari 1994; dan Blomberg 1996), dalam persamaan berikut ini: Q K
T K (T1 T2 ) ....................................................................... (27) X S
Keterangan : Q
= Laju Pindah panas Konduksi (Joule)
T
= Suhu (°C atau K)
X
= Jarak antar material (m)
K
= Thermal conductivity (W m-1°C-1)
S
= Ketebalan material (m)
T1
= Suhu Udara (°C atau K)
T2
= Suhu material (°C atau K)
Ecohouse memerlukan kondisi kenyamanan tropis sekitar 23.5 ⁰C sampai
26.8 0C dan kelembaban 60-70% (Harsono 2004). Manipulasi pendinginan udara luar alami dengan dua cara yaitu memberi naungan menahan radiasi surya dengan
pepohonan dan percepatan transpirasi oleh tanaman dan penguapan. Naungan dan ventilasi silang melewati ruang dengan manipulasi orientasi dan rancangan bangunan, selubung lingkup atap dan dinding, penetrasi atau penekanan aliran udara dari pintu, jendela atau ventilasi, alat mekanis, material, manipulasi lansekap dan naungan. Modifikasi masalah pemberian panas dari sumber daya adalah batasan-batasan internal dari temperatur yang ditentukan. Daerah internal
32
berisi fluida udara dengan temperatur tunggal dan hambatan radiasi di dalam rongga. Beberapa suhu udara yang akan diperhatikan dalam masalah lingkungan ini yaitu suhu udara biasa (Ta = air temperature) dan suhu radiasi rata-rata (Mean Radiant Temperature = MRT). MRT merupakan radiasi rata-rata dari permukaanpermukaan bidang yang mengelilingi seseorang. MRT sangat penting karena dapat menimbulkan rasa panas bagi seseorang. Prasyarat kenyamanan termal sulit tercapai bila Ta dan MRT berbeda hingga lebih dari 5 oC. Suhu operasional (To), suhu langit yang diasumsikan berbeda 8 °C dengan suhu ambient. Teori hantaran panas dan aliran udara dalam rancangan fungsional bangunan untuk beberapa pengukuran karakteristik material dari bangunan telah dilakukan dan kedua hasil dibandingkan dengan perhitungan simulasi yang dibuat, berdasarkan rumus proses perpindahan panas untuk perhitungan termal propertis dari bambu dan kayu (Mudiastuti et al. 2004) dan pengeringan beberapa komoditi pertanian (Abdullah et al. 2006). Jendela dan pintu
Atap dan lantai
Gambar 14 Ilustrasi pemasukan sinar matahari a. melalui jendela dan b.melalui atap rangkap Cahaya matahari masuk melewati jendela pada ketinggian h (m) mengenai bidang lantai dipantulkan menjadi gelombang panjang dan memanasi properti udara di dalam bangunan. Sudut datang akan mempengaruhi jarak masuknya sinar matahari. Aliran udara dalam bangunan mengalir ke atas (leeward). Di sisi lain bangunan tersebut terjadi tekanan tarikan (wind ward) yang akan mempengaruhi kecepatan aliran udara yang akan masuk ke dalam bangunan. (Vladimír et al. 2003). Kriteria asumsi:
kondisi batas awal serta konstanta pemanasan berdasarkan asumsi-
33
a
Analisis ini dibatasi oleh aliran udara secara alami yang menghembus dari arah sumbu x=0.5 pada kecepatan 0.5 m s-1 dan pada arah sumbu y=0.15 m s-1 Di dalam ruangan digunakan analisa respirasi metabolisme tubuh dua orang penghuni, dimana total berat 2 orang tersebut (120 kg) diabaikan.
b Nilai karakteristik material kayu sebagai resistensi panas, uap air di dinding dan atap (pustaka dari program CFD). Perubahan suhu udara, suhu langit (Ts), suhu lingkungan luar (Ta), suhu bagian ruang dalam (Tr), suhu atap (Tp), suhu dinding (Td), dan suhu lantai (Tf). c
Terjadi perubahan suhu di bangunan dengan aliran udara alami, karena perbedaan tekanan, energi, penguapan uap air serta konduktivitas material, panas laten udara untuk menggantikan perubahan fluida udara.
Penguraian Matematik dalam Persamaan Lumps Perry (1978) melakukan asumsi kriteria batas awal, batas kondisi, konstanta pemanasan dengan perubahan suhu atmosfer diluar bangunan karena : a
…………………………………… ....(28)
b
…………………………………….…(29)
c
Tpo = 50 Watt m-2 dan Tro = 25 OC………………………… …..(30)
d
Koefisen pindah panas pada atap
e
Koefisien pindah panas konveksi dalam ruang
…………….. (31)
…………………………(32) f
Koefisien pindah panas konduksi pada atap dari radiasi surya(kJ m-2) ……………(33)
g
Koefisien pindah panas konduksi pada dinding ……………………………………….……...(34)
34
h
Kecepatan (m s-1) dan masa udara (kg s-1): Vpp Vpp 4.48 *
h(Tc Ta )) (to 273)
……………………………………….(35)
Vpp bernilai = 0.15-1.5 m s-1 i
Massa aliran udara (kg s-1) m, o
m b * h * L * * * Vpp …………………..………………………..(36) j
Perubahan suhu pada atap perubahan Intensitas Radiasi surya(KJ m-2)
.......................................................................................................................... (37) k
Perubahan suhu atap dengan suhu udara lingkungan Ta (ºC) ........................................................ (38)
Perubahan suhu dalam ruang
................................................................................................................ (39) l
Perubahan Energi Suhu lingkungan ruang (Tr) Qr = m.hfg.d (Tling- Tr)....................................................................... (40)
m
Perubahan Energi Suhu dinding (Td) Qd = hpp * Ap * (Tp(n)- Tr(n)) ............................................................ (41)
n
Perpindahan panas dari tubuh pada udara lingkungan ............................................. (42)
Penguraian Matematik dalam Persamaan Atur Peraturan konduksi panas persamaan diferensial parsial, satu dimensi untuk temperature T (x,T) atau dua dimensi untuk temperatur T (x,y,T) adalah energi I (W m-3), sebagai laju perambatan panas internal. Hantaran kalor arah x, y ditandai oleh Ix dan ly, (W m-1 K-1), berturut-turut. Kapasitas volume panas oleh Cpv (J m-3 K-1), kerapatan (kg m-3), kapasitas panas jenis Cp (J kg-1 K-1) (Blomberg 1966)
35
Hantaran termal dalam dua arah umumnya yang sama (I,J) x,y = generasi panas dan bagian internal sering nol. Di posisi mantap, sisi kanan sisi persamaan (43) adalah nol.
....................................... (43) Ada dua syarat batas kondisi batas yang berlaku untuk segmen batas (BC), yaitu memberi suatu temperatur yang telah ditentukan meliputi area, Tt (BC), dan tahanan permukaan yang ditentukan R (m² K W-1):
. .............................................. (44) Di sini T n adalah turunan normal, pada tipe kedua digambarkan dengan laju panas didaerah itu: (W m-²) ................................................................... (45) Gambar 15 menunjukan suatu batas internal yang memisahkan hantaran panas kedua material berbeda λ1 dan λ2. Temperatur menembus batas itu. Batas normal ditandai oleh adanya suatu kesinambungan aliran panas yang melintasi batas itu.
...................................................................................... (46) Kondisi aliran panas yang berkelanjutan mengarah tegak lurus kepada batas n pada Gambar 15. Suatu hambatan peralihan R ins (m² K W-1), antara dua area, lihat gambar, dalam hal ini, temperatur adalah berbeda pada kedua sisi bidang kontak. Kondisi aliran panas yang berkelanjutan pada isolasi internal ini adalah persamaan menjadi:
.................................................................... (47)
36
Syarat batas kondisi awal Distribusi temperatur awal pada waktu 0 dimulai
dalam dua dimensi
ditandai oleh T(x,y) = To. Pada posisi mantap, temperatur awal adalah awal dari penyelesaian simulasi. Pada kasus cavity yang berisi udara dengan panas jenis mungkin = 0, sisi kanan persamaan 48 menjadi 0
(a)
Normal
(b) Area tertutup
(c) Tepian area tertutup
Gambar 15 Batas area internal normal n berkaitan berisolasi dan area tertutup
Area fluida dalam Gambar 15 di tandai batas permukaan suatu daerah internal yang berisi suatu fluida dengan suatu kapasitas panas volumetric Cfluid (J m-³ K-1), dengan area dalam normal ditandai oleh An, Volume fluida Vfluid (m³), dan laju panas dalam area itu Qin (W), dari suatu integrasi batas atas permukaan. Laju arus seimbang dengan peningkatan kandungan panas di dalam fluida:
………………………….
(48)
Perhitungan pada keadaan mantap dan simulasi transient (perbedaan jadi lebih kecil untuk masalah adanya radiasi dalam rongga). Kaitannya dengan optimisasi compiler yang lebih baik adalah peningkatan metoda kuantitatif pada lingkungan. Jumlah noda radiasi maksimum ditingkatkan Konduksi panas radiasi gabungan dalam rongga sebagai konduksi panas dalam bagian padat dari bangunan, sering terjadi digabungkan ke gelombang panjang radiasi panas dalam rongga udara dari fisika bangunan. Dalam hal ini diabaikan Simulasi numerik dari gabungan proses didekati pada suatu sistem gabungan konveksi dan radiasi sebagai perpindahan kalor di dalam cavity. Panas konduksi ke lokasi noda di dalam mesh secara kuantitatif dipecahkan berdasarkan masing-masing posisi. Satu sistem analisa pemecahan disajikan (Blomberg 1996),
37
Perumusan Numerik adalah perumusan kuantitatif persamaan diferensial dan dijadikan satuan nilai pada titik-titik pemisahan dan perubahan itu, dengan memberikan suatu perhitungan yang menggunakan mesh, dan mempertimbangkan urutan selang waktu dan perbedaan waktu Dt. Analisis ini digunakan mesh sesuai Cartesian untuk berubahnya titik kearah x-, dan y- ditandai oleh Dxi, dan Dyj. Perbedaan kenaikan perubahan lebih kecil ini akan semakin baik jika disesuaikan dengan kondisi distribusi temperatur. Perhitungan mesh yang dipertimbangkan dari benda dua-dimensi dibagi menjadi selang untuk perbedaan jarak dalam arah sumbu x-dan y-seperti yang ditunjukkan di Gambar 16. Mesh segi-empat ini memperhitungkan jumlah sel sesuai dari ukuran ukuran yang berbeda. Tinggi dan lebar sel(i,j) ditandai oleh Dxi dan Dyj, berturut-turut. Temperatur di titik tengah sel(i,j) di selang waktu ditandai oleh tij dinyatakan dalam Gambar 16 Pilihan indeks untuk sel perhitungan mesh.
Gambar 16 Sel pilihan sebagai indikasi mesh Dalam penggabungan konduktivitas panas antar sel, dalam mesh secara kuantitatif dihantarkan masing-masing konduktivitas panas.
Gambar 17 Notasi indeks konduktansi. Konduktivitas per unit panjang ke bidang (x,y) antara dua sel (i-1,j) dan (I,j) ditandai oleh K(i-1/2j) dengan rumus :
38
..................... (49) Gambar 17 menunjukkan konduktivitas panas antar sel (I,j) dan selang sebelahnya. Disini lx,i,j adalah konduktivitas panas di arahkan ke x untuk sel (i,j). Konduktan mengacu pada panas total yang mengalir sepanjang sisi Dy j pada unit arah memanjang dimana. a
denominator i adalah tahanan panas pada arah x- untuk separuh sel(i-1,j),
b
tahanan untuk separuh sel(i,j).
c
R(i-1/2,J) (m² K W-1), adalah suatu tambahan tahanan panas yang diinginkan di area perantara dua sel(i-1,j) dan (i,j) di Gambar 18.
d
Untuk sel(1,j) berada sebagai batas di Gambar 19, konduktan K½,j dihitung seperti Persamaan 49 menjadi :
e
R1/2,j (m2 K W-1) adalah batas tahanan permukaan
Gambar 18 Tahanan temperatur antara sel (i-1,j) dan sel (i,j) Laju aliran panas di gambar 19 menunjukan empat aliran panas di dalam suatu sel internal.
Gambar 19 Empat aliran panas internal dalam sel (i,j) Aliran panas melalui batas yang ditinggalkan Qi-1/2,J, (W m-1), dalam pers 50. (W m-1) ................................................ (50)
39
Aliran panas melalui batas sel ditentukan oleh kondisi batas, yang lebih rendah Qi,J-1/2 adalah pers 51. Aliran panas melalui suatu sel batas ditentukan oleh syarat batas itu. Pertimbangan, sebagai contoh, sel batas luar (1,j) di dalam Gambar 19. Jika suatu temperatur diberikan di persamaan 49 akan dimodifikasi jadi persamaan 51. (W m-1) .................................................... (51) Akumulasi aliran panas selama tahapan proses kenaikan satu langkah waktu Δt dari arah segment batas kiri pada sel (1,j) dalam satuan (J m-1) dimana jumlah pada semua sel kepunyaan dari segmen kondisi batas, dinyatakan dalam persamaan berikut: (W m-1).................................................................... (52) (J m-1) ........................................................ (53) Bila batas aliran panas yang diberikan Qbc (W m-²), laju aliran panas diperpanjang pada arah perpendicular (x,y) plat di persamaan 51. Akumulasi laju aliran selama tahap Dt pada batas segmen kiri pada sel(1,j) ada di persamaan 52, dimana jumlah semua sel yang terlibat dalam segmen setempat.
Gambar 20 Grid terpasang pada persamaan Kapasitas panas sel(i,j) menjadi C dengan ∆xij, ∆yij di setiap panjang unit tegak lurus (x,y) adalah datar. Di sini C(i,j) dalam (J m-³ K-1) adalah kapasitas panas volumetric untuk sel(i,j). Peningkatan energi untuk suatu sel internal berdasar tiap tahapan waktu Dt diberi oleh kesetimbangan energi di bawahnya. Pada rumusan itu, Ti,j adalah temperatur sel lama (Ti,j), dan diubah menjadi Ti,j yang baru. Pengembangan pada
40
waktunya adalah incremented panas oleh Dt, dan waktu yang baru menjadi tn = t+Dt. Generasi di dalam sel(i,j) ditandai oleh I(i,j) dalam W m-³. Nilai negatif menandai adanya suatu kehilangan panas dan generasi panas mungkin adalah nol (lihat persamaaan 54). .......... (54) Persamaan final dari suhu baru menjadi:
....................... (55) Pemilihan tahapan dari waktu pada persyaratan Time-Step yang stabil Dt untuk sel(i,j) ditentukan dari ukuran stabilitas yang berikut, untuk semua i dan j.
......................................................... (56) Ukuran ini harus dicukupi untuk semua sel(i,j). Tahapan waktu yang stabil, dan yang paling kecil diperoleh akan digunakan untuk semua sel untuk menjamin stabilitas (Eltring 1990 dalam De With 2004). Kalkulasi Iterasi dalam persamaan diatas memberi temperatur yang baru berdasar pada perubahan energi sepanjang time-step Dt itu. Kalkulasi ini dibuat untuk semua nilai sel dari temperatur. Pembaharuan memberi aliran panas yang baru antar sel menurut persamaan di atas, yang pada gilirannya berubah temperaturnya, dan seterusnya. Kasus Steady-State Pemecahan masalah transient di atas menggunakan metoda menuju ke arah depan dengan perbedaan tegas dan eksplisit. Maknanya bahwa temperatur lama digunakan untuk menghitung proses aliran panas selanjutnya, sehingga temperatur yang baru Tij mengikuti persamaan 56 (Abdullah 2005). Metoda over-relaxation yang berurutan digunakan di kasus kondisi mantap. Disini temperatur dihitung dengan cara yang sama seperti dengan perbedaan yang eksplisit kearah t selanjutnya, tetapi temperatur baru digunakan di dalam rumus
41
ketika suhu sudah muncul. Temperatur
dihitung dengan menggunakan suatu
over-relaxation factor ω yang berada di dalam cakupan 1.0-2.0. Nilai optimal ω mungkin memberi kalkulasi antara ke 1/10 dan ke 1/50 sesuai yang diperlukan untuk suatu kalkulasi tanpa menggunakan over-relaxation (ω = 1.0). Di dalam program HEAT, awal faktor ini dimulai 1.95. Persamaan ini dimodifikasi untuk:
.......... (57) Kapasitas panas sel tidak berarti di dalam kondisi mantap, solusinya dengan time-step yang stabil untuk masing-masing sel menentukan skala waktu untuk perubahan temperatur di dalam sel itu, agar menjadi lebih baik.
.............................................. (58)
Daerah Internal Fluida Dalam beberapa kebutuhan untuk suatu model area internal yang berisi udara atau cairan, contohnya ketika mengayun-ayunkan rongga, digunakan air untuk penyimpanan panas. Kasus ini dipertimbangkan ketika model suatu daerah internal fluida atau cairan punya kapasitas panas dikarenakan volume fluida (Vfluid) dengan kapasitas panas volumetric Cfluid, dan temperatur fluida itu. Tfluid dihitung dari kesetimbangan energi yang melingkupi sel.
................................... (59) Temperatur di sel yang bersebelahan dengan daerah fluida ditandai dengan Tn. Hantaran termal pada masing-masing pusat sel dan fluida ditandai oleh Kn. Total jumlah sel adalah N, dan volume fluida mempunyai temperatur Tfluidnew. Udara mungkin didekati sebagai fluida dengan kapasitas panas udara dan temperatur udara yang diusulkan di dalam suatu daerah internal menjadi temperatur rata-rata dalam lingkup sel.
42
................................................................. (60) ..........................................................................................................................
......... (61)
Gambar 21 Aliran udara melalui dinding dan nilai suhu batas kelembaban dari volume dan radiasi surya diperhitungkan Persamaan suhu adalah:
................................................ (62) Persamaan kelembaban dari volume adalah
............................................................. (63) Perpindahan kelembaban terjadi dari dan menuju ke sel kelembaban, di dalam sel dan batasan kelembaban. Kenaikan dari kandungan uap air w (kg m-3) dari masing-masing sel i,j dengan ketebalan Δ xi, dihubungkan dengan laju aliran uap air Δgi dalam kg m-1s-1 sebagai:
..................................................................................... (64) Laju aliran udara melalui suatu struktur yang sama dan mempunyai tahanan aliran sebesar ΔR (Pa m-3) dari aliran udara (m3 m-1 s) bersama dengan tekanan yang berbeda untuk melampaui penentuan struktur di dalam laju aliran udara.
43
Konsep Pindah Panas Radiasi pada Selubung Bangunan Konsep pindah panas yang terjadi berhubungan dengan input pada analisa riil berdasarkan faktor periode waktu, dan kondisi nyata yang dipengaruhi oleh faktor iklim makro, dan hasil pengukuran. Dimensi dari kondisi fisik sebagai batasan domain, menjadi dasar utama untuk analisa. Selanjutnya input pengukuran menjadi bahan input untuk analisa simulasi dengan parameter empiris lainnya dan berdasarkan data-data penelititi terdahulu.
Gambar 22 Diagram untuk meliput lingkungan termal berdasarkan proses (Ooka 2002) Persamaan keseimbangan energi yang terjadi dalam ruang bangunan dihitung dengan analisa numeric (Murakami et al. 2001 dan Ooka et al. 2002). Persamaan ini juga untuk selang waktu yang digunakan t(h) = 0.1 min
44
Gambar 23 Diagram alir profil suhu dalam bangunan (Saelens 2002)
45
Metodologi
Tempat Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Darmaga Fakultas Kehutanan IPB, pada tanggal 23 – 29 bulan April 2009 selama satu minggu.
(a)
(b) (c)
Gambar 24 Bangunan percobaan a) Tampak muka, b) Tampak samping, dan c) Tampak belakang Bahan bangunan Bangunan percobaan konstruksi kayu Acacia mangium, nama lokal Acasia, diperoleh bahan kayu dari perdagangan setempat.
Gambar 25 Potongan bangunan dan dimensi, a) Tampak samping, b) Tampak muka, Bahan konstruksi bangunan percobaan adalah kayu Acacia Mangium (nama lokalnya Akasia), dengan ketinggian dinding 300 cm dan tinggi atap 141.2 cm, tnggi bangunan 441.2 cm.
46
Peralatan Alat-alat yang digunakan adalah Pyranometer model Eko tipe ms-401, Chino recorder Yokogawa tipe 3058, Hybrid recorder, Anenometer/Flow meter Climomaster merek Kanomax, Voltmeter, Logger Yokogawa recorder.
(a)
(d) Gambar 26
(b)
(c)
(e)
(f)
Beberapa peralatan yang digunakan dalam penelitian (a) hybrid recorder, (b) Yokogawa recorder, (c) Yokogawa recorder, (d) anemometer, (e) pyranometer, (f) voltmeter
Metode Pengukuran Posisi bangunan terletak di Lintang Selatan -6o, Bujur Timur 130o. Ketinggiannya 290 m dpl, dari rata-rata tanggal pengukuran, sudut datang cahaya α 30o pada pukul 8. Data ke-2 diambil pada pukul 13 atau –15o dan data ke-3 pada pukul 18 atau -90o. Sudut kemiringan naungan β, 75o, dimana bangunan ternaungi oleh pohon. Sudut kemiringan lahan γ hampir rata. Tinggi bangunan 4.12 m, tinggi dinding 3 m, lebar bangunan 3 m, dan panjang bangunan 6 m. Ruangan yang ada adalah ruang keluarga dan ruang pantry. Atapnya terbuat dari asbes gelombang polyethelyne, yang tidak bersih, dan dinaungi pepohonan yang rindang.
47
Gambar 27 Tatanan ruang dalam bangunan percobaan
Posisi, Dimensi, dan Tata Letak Pengukuran Ecohouse
Gambar 28 Tatanan posisi pengukuran (koordinat titik termokopel) dalam ruang bangunan percobaan
48
Tabel 5 Koordinat titik-titik penempatan termokopel No
X
Y
Z
Ket.
No
X
Y
Z
Ket.
0
Lantai
19
431
53
150
udara
Udara
20
431
53
0
lantai
21
186 299 150
udara lantai
1
431 299
2
431 299 150
3
63
4
224 233 -15
Udara
22
186 299
5
554 299
Lantai
23
308 299 150
udara
6
554 299 150
Udara
24
308 299
0
lantai
108 -15
Lantai
a
0
173
0
dinding
8
431 299 150
Udara
b
63
173 150
udara
9
554 173
Lantai
c
63
53
150
udara
10
554 173 150
Udara
d
186
53
150
udara
11
431 354 150 Dinding
e
554 173 150
udara
12
627 176 150 Dinding
f
63
173
lantai
13
554 173
g
0
108 -15
7
0
354 150 Dinding
0
0
0
Lantai
0
0
dinding
Jalur perambatan panas menuju ke keseimbangan energi yang terjadi dari perubahan suhu, aliran udara, dan massa uap air dari luar ke dalam bangunan. Hal ini terjadi karena suhu luar dan dalam yang berbeda, perbedaan kecepatan dan tekanan aliran udara secara alami, serta terjadinya penguapan massa air, keseimbangan energi, karakteristik termal material, dan panas laten yang digunakan untuk mengubah zat cair menjadi gas. Nilai karakteristik dan sifat material sebagai resistensi panas, uap air dinding dan atap, menggunakan pustaka Wang (2003). Sasaran yang dicapai adalah suatu kenyamanan dari penghuni, hal ini dapat ditunjukkan dengan distribusi termal dalam ruang serta pola aliran udara yang terjadi. Analisis dua model simulasi termal dari bangunan dibantu dengan Nodal Network, seperti kondisi suhu udara kecepatan aliran, dan dapat diasumsikan berbentuk sama untuk semua penghuni (Negarao et al. 2004). Lingkungan kenyamanan menjadi salah satu mekanisme utama untuk menunjukkan
49
pencapaian kondisi lingkungan dalam suatu ruang bangunan agar dapat mendukung kesehatan dan produktivitas kegiatan (Chen 2001).
Gambar 29 Ilustrasi perubahan energi dan distribusi suhu dalam ruang bangunan Keterangan: Tap
= Suhu atap (oC)
Tapd = Suhu atap dalam (attik, oC) Tw
= Suhu dinding (oC)
Qr
= Energi radiasi dari kalori radiasi matahari yang datang Tti(W m-2)
Quin = Energi yang masuk melalui aliran udara dari suhu Ta Quout = Energi yang keluar melalui aliran udara menuju suhu luar Qu
= Energi yang ada sebagai konveksi dalam ruang dipengaruhi oleh Uo
Qf
= Energi yang masuk keluar pada lantai (Tf)
Qw
= Energi yang masuk keluar pada dinding (Tw)
Qor = Energi karena metabolisme orang yang bekerja di dalam bangunan (Tor) UL
= Koefisien pindah panas dalam ruangan bangunan (W m -2 oC)
Ilustrasi diatas akan digunakan untuk menghitung pindah panas yang terjadi diatas atap dan diperoleh suhu atap.
50
Hasil dan Pembahasan Data Iklim Makro dari Badan Meteorologi dan Geofisika Pindah panas terjadi karena gelombang pendek cahaya matahari secara radiasi mengenai selubung bangunan dan kemudian menjadi gelombang panjang, dihantarkan secara konveksi oleh aliran udara dan angin, dan kemudian mengubah tekanan karena gaya buoyancy. 35.0 33.0
Suhu (oC)
31.0 29.0 27.0 25.0 23.0 21.0 0 7
5
10
15
13
18
Trt2 4
20 TMAX 5
25
30
hari
TMIN 6
Gambar 30 Hasil analisis BMG untuk suhu dan kelembaban 2009 Gambar 30 di atas menunjukan suhu dan kelembaban dalam bulan April 2009, dimana suhu rata-rata tahunan pada pukul 07.00 WIB 23 oC, pukul 13.00 WIB 30.8 oC, dan pukul 18.00 WIB 26.9 oC. Nilai suhu lingkungan rata-rata bulanan (Tc) di luar bangunan 24.18 oC pada pukul 07.00 WIB, pada pukul 13.00 WIB 28.35 oC, dan pada pukul 18.00 WIB didapatkan 26.3 oC.
Gambar 31 Perbedaan suhu (oC) di luar dari BMG dan dalam Ecohouse dari pengukuran
51
Dari hasil pengukuran ternyata suhu maksimum dan suhu minimumnya 9.2 o
C dan 8.2 oC, pada pagi menuju siang hari. Penurunan suhu menuju malam hari
mencapai 0.9-6.5 oC. Perbandingan dengan hasil yang diperoleh oleh beberapa peneliti terdahulu menunjukkan suhu 6 oC diperkenankan terjadi di lingkungan sekitar bangunan. Hal ini berarti kondisi panas yang lembab di lokasi penelitian ini menghasilkan perbedaan suhu luar dan dalam bangunan yang melebihi syarat yang diajukan sehingga energi yang diperlukan untuk pendinginan menjadi lebih besar. Tabel 6 Data intensitas penyinaran matahari terukur dari Stasiun Meteorologi dan Geofisika Cabang Darmaga Tanggal (April 2009)
CURAH HUJAN
TEKANAN UDARA
(mm )
(mb )
7
8
PENG UAPAN Pa 9
PENYINARAN MATAHARI 12 Jam
8 Jam
Intensitas
Watt
%
Jam
%
(cal/cm²)
4.1
10
11
12
13 287.0
1176
331.0
1357
351.0
1400
284.0
1164
258.0
1057
393.0
1413
328.0
1344
284.0
1164
62.0 990.1 99014 6.7 50.0 6.0 74.0 20 990.6 99060 3.3 48.0 5.7 69.0 21 1.2 990.7 99070 3.6 78.0 9.4 99.0 22 0.3 990.6 99060 4.8 56.0 6.7 81.0 23 990.8 99080 3.7 32.0 3.8 45.0 24 991.0 99100 3.2 62.0 7.4 90.0 25 0.2 989.1 98910 4.5 48.0 5.8 70.0 26 18.6 989.4 98940 3.4 44.0 53 63.0 27 82.3* 7922.3 33.2 418.0 50.1 591.0 Jumlah* ** ** 62.0 991.0 6.7 78.0 9.4 99.0 Maksimum *** *** 0.2 989.1 3.2 32.0 3.8 45.0 Minimum **** 990.3 4.2 52.3 6.3 73.9 Rerata-**** 16.5 -2 -2 Konversi 1 Atm = 101325 Pa; 1 kal cm = 4.1 W m ; Sumber: BMG Balai Besar II Stasiun Klimatologi Darmaga, Bogor Keterangan lengkap di Lampiran 3
2526.0 393.0 258.0 315.8
Hasil Pengukuran Diacu dengan menggunakan persamaan Tiwari dan Sugiyanto diperoleh hasil analisis radiasi yang datang di permukaan atap selubung bangunan adalah sebagai berikut: - Extraterestrial radiation : 1353 W m-2 - Inclined radiation (Idi) : 1336 W m-2
52
- Diffuse radiation (Idh) : 107 W m-2 - Direct and diffuse radiation on horizontal surface (Ith) : 508 W m-2 Refleksifitas radiasi (Ir) : 68.2 W m-2 Total radiation (Iti) 998 W m-2. Berdasarkan teori, nilai radiasi matahari yang datang mencapai 1353 W m-2 dan yang akan tiba di permukaan adalah 51% dari radiasi yang masuk ke atmosfer, akan tetapi hasil pengukuran menunjukkan nilai yang lebih kecil dari separuhnya 37.5-73%.
Gambar 32 Intensitas radiasi matahari terdifusi 23-27 April 2009 menurut waktu (BMG Balai Besar II Stasiun Klimatologi Darmaga, Bogor)
a b
Gambar 33 Intensitas Radiasi matahari menurut waktu a) Persamaan Tiwari rerata harian dan b) Pengukuran. Pemetaan hasil pengukuran yang diperoleh dipetakan data perubahan suhu dilakukan dengan mengikuti rumus dari Tiwari. Data pengukuran dari kecepatan angin dari BMG Darmaga Bogor antara di luar dan dalam bangunan kemudian dibandingkan.
53
Gambar 34 Hasil perhitungan kecepatan aliran udara dalam Ecohouse: kecepatan aliran udara pada pukul 06.00, 13.00, dan 18.00 selama 23-27 April 2009. Kecepatan aliran udara dalam bangunan berkisar 0.05 hingga 0.35 m s -1 (Gambar 34).
Keterangan gambar: kecepatan aliran udara di luar bangunan bmg 0.5 (m), bmg (2 m), bmg10 (m), dan dalam bangunan uk-0.5 m, uk-2 m, uk-3.5 m, dan uk-5 m Gambar 35 Perbedaan kecepatan aliran udara di luar dan dalam bangunan (BMG) Dapat dilihat pada kedua tabel teknik perhitungan yang berbeda menghasilkan data yang berbeda juga. Oleh karena itu, diperlukan pendekatan dengan berbagai rumus untuk menentukan kebenaran dari kedua cara simulasi dan pengukuran.
54
Gambar 36 Perubahan suhu harian dan kelembaban pengukuran di ecohouse pada tanggal 21 sampai 27 April 2009 Perbedaan suhu antara pengamatan BMG dengan pengukuran mikro klimat di bangunan uji coba rerata mencapai 1.2-6.78%. Hal ini masih dapat ditoleransi dengan cuaca Bogor yang sangat bervariasi antara 24-34 oC. Data ini menjadi data utama yang akan disajikan dalam simulasi numerik dua dimensi dan tiga dimensi, menggunakan program surfer 8 dan CFD (Lampiran 23). Kelembaban yang berkisar dari 50-98% memungkinkan terjadinya kondensasi, terlihat dari adanya embun. Selanjutnya gelombang pendek berubah menjadi gelombang panjang memanaskan aliran udara, dan dihantarkan mengenai dinding dan atap bangunan sehingga mengubah suhu dan massa udara. Hal ini selain diukur juga dikaji secara matematis sehingga mempresentasikan distribusi aliran udara dan suhu dalam tatanan ruang (pada bab selanjutnya).
Gambar 37 Perubahan aliran udara pengukuran di bangunan ecohouse
55
Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terjadi perubahan aliran udara berkisar 0.02 hingga 0.3 m s-1 dalam bangunan yang kurang peredarannya, atau dengan kata lain aliran udara dalam bangunan sangat kecil. Kebutuhan pergerakan aliran udara menurut pustaka terjadi berkisar 0.1 sampai 0.2 m s-1 karena buoyancy. Akibatnya, pada saat kondisi aliran udara sangat rendah (<0.1 m s-1) kenyamanan dalam bangunan tersebut sangat berkurang. Terutama pada tanggal 25 April 2009 yang paling sedikit terjadi aliran udara. Massa uap air saat itu perlu dipertimbangkan, dapat dilihat dari humidity di dalam bangunan itu.
Pengukuran Nilai U (koefisien pindah panas keseluruhan) Menurut Kreider (1994), U adalah koefisien pindah panas konduksi material kayu UL = ULup + ULd + ULs ULup :
1 U Lup
1 1 .............................................. (65) U V 1 U r1 U V 2 U r 2
kecepatan aliran udara ≤ 5 m s-1, maka harga Uv1 = 5.62+3.91*v 1 U
LD
1 ...................................................................... (66) xc xi kc ki
UL jika data-data sebagai berikut : UL = ULup + ULd + ULs pers (65) karena ukuran luas permukaan sebelah samping atap sebagai kolektor jauh lebih kecil dari luas permukaan bagian atas dan bagian bawah, maka nilai 1/ULs diabaikan maka pers (65) menjadi 1/ULup = 1/(Uv1 +UR1 ) + 1/(Uv2 + UR2) Uv1 = koefisien pindah konveksi dari atap kayu ke udara UR1 = koefisien pindah radiasi dari atap kayu ke udara Uv2 = koefisien pindah konveksi dari dinding ke udara UR2 = koefisien pindah radiasi dari dinding ke udara Uv1 ditentukan berdasarkan kecepatan aliran fluida UR1 = persamaan 5.673 εg/tg - ta {[(tg+273)/100]4 - [(ts + 273)/100]4} Uv2 ditentukan dengan bilangan Nusselt : Uv2 = Nu (k/d) Gr = g bd3(t1-t2)/n , bilangan Grashoff Pr = Cpm k-1, bilangan Prandtl
56
Ra = Gr . Pr, Ra : bilangan Rayleigh, Jika Ra < 1700, maka harga Nu = 1 Jika 1700 < Ra < 6000, maka harga Nu = 0.027 Ra Jika 6000 < Ra< 30 000, maka harga Nu = 0.37 Ra 1/5 Hasil yang diperoleh adalah : Uv1 =9.3345, UR1 =35.2769, Gr =35.4148, Pr =0.7080, Ra =25.0737 Nu = 0.6770; UV2 = 0.00005343, UR2 = 6.5041, 1/ULup = 0.1762, 1/ULd = 0.6339; UL up = 5.6765, UL d = 1.5775., UL = 7.254.
Gambar 38 Koefisien pindah panas konveksi di elemen selubung bangunan Dalam perbedaan pengaruh jenis material dan lokasi ternyata pada berbagai suhu d iatas terjadi pengaruh pada koefisien pindah panas konveksi, berkisar antara 0.05 W m-1 K-1 di udara dekat lantai hingga 18 W m-1 K-1 di udara dekat atap polimer (lihat gambar 38).
57
Gambar 39 Koefisien pindah panas konduksi di elemen selubung bangunan
Dalam perbedaan pengaruh jenis material dan lokasi ternyata pada berbagai suhu di atas terjadi pengaruh pada koefisien pindah panas konduksi berkisar antara 0.2 W m-1 K-1 di dekat lantai dan hingga 27 W m-1 K-1 di dekat atap. Sesuai gambar di atas. Pengaruh pemanasan sinar matahari secara konveksi dan konduksi terletak di bagian atap dan terendah di bagian lantai atau tanah. Pengaruh kecepatan aliran udara di atap tidak banyak mempengaruhi suhu atap yang berkisar antara 58 oC hingga 62
o
C. Perubahan suhu dalam ruang pada kecepatan 0.5 m s-1
menunjukkan perbedaan antara suhu ambient, suhu ruang, dan suhu lantai, karena kecepatan aliran yang lebih besat dari 0.5 m s-1 tidak banyak mempengaruhi pergerakan udara dalam bangunan. Dengan kata lain, 1
Perbedaan perubahan kecepatan aliran udara 0.5 m s-1 ternyata tidak memberikan dampak yang nyata
2
Perubahan suhu maksimum dan minimum hampir merata dengan beda siang dan sore hari antara 20 °C sampai 29 °C. Perbedaan hampir 9 oC inilah justru yang merupakan problem pada kenyamanan dalam bangunan
3
Intensitas radiasi pagi hingga sore hari dengan perbedaan 40 hingga 1400 W m-2 di atas atap dan mengenai bidang selubung bangunan yang mencapai antara 150 W m-2 s-1 sampai 800 W m-2 s-2, menghasilkan suhu ruang maksimum 28 °C dan minimum 24 °C pada pagi hari. Batasan kenyamanan
58
perlu diperhatikan dengan baik karena batasan yang dianggap di daerah subtropis dan tropis, yang diduga oleh Pynsehwal tidak memberikan dampak pada penghuni bangunan, ternyata akan sangat berpengaruh. Maka, hanya pada selang waktu antara jam 6 dan jam 7 pagi, dan sore setelah jam 17 saja yang masih nyaman. Selebihnya suhu sudah di atas 24.5 oC.
Menurut Harsono (2004) penghuni kantoran di Jakarta masih mampu bertahan sampai 28 oC. Maka, dapat dikatakan bahwa penambahan aliran udara dan hambatan pepohonan dapat menghambat radiasi sinar matahari sehingga dapat dirasakan kenyamanan. Jadi, persepsi petani sendiri sangat menentukan, dengan cultural dan kebiasaan kehidupan mereka.
Gambar 40 Perbedaan kecepatan aliran udara di luar dan dalam bangunan Nilai konduktivitas rata-rata pada pengujian sampel panel palupuh bambu adalah 0.1187 W m-1 oC pada kadar air rata-rata 9.09% bb, untuk sampel dempul adalah 0.5066 W m-1 oC pada kadar air rata-rata 17.66%bb, dan sampel melamin adalah 0.1573 W m-1 oC pada kadar air rata-rata 43.2% bb (Mudiastuti et al. 2003). Ini menunjukkan bahwa material yang digunakan lebih rendah konduktivitasnya sehingga material ini dapat digunakan untuk substitusi atau pengganti.
59
Di mana nilai panas jenis papan kayu diambil dari percobaan terdahulu panel palupuh bambu dengan metode campuran ini berkisar antara 1.585 kJ kg-1 o
C sampai 2.789 kJ kg-1 oC pada selang kadar air antara 8.86 sampai 9.28% bb dan
nilai difusivitas panas yang didapat dari penelitian ini adalah 0.11 x 10-6 m2 s-1. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan 1
Perilaku termal dalam bangunan menunjukan suhu pada pukul 07.00 WIB sebesar 24.1oC, dalam kondisi nyaman sesuai suhu yang diperlukan untuk tinggal dalam bangunan tersebut. Pukul 13.00 WIB suhu mencapai 28.4 oC, cukup panas untuk suhu tubuh manusia Indonesia. Pada pukul 18.00 WIB suhunya mencapai 26.3oC.
2
Rekomendasi desain strategi ventilasi alami agar nyaman di dalam rumah ditunjukkan koefisien pindah panas keseluruhan 0.05 W m-1 K-1 di udara dekat lantai dan 18 W m-1 K di udara dekat atap polimer. Koefisien pindah panas konduksi berkisar antara 0.2 W m-1 K-1 di dekat lantai dan 27 W m-1 K-1 di dekat atap.
3
Hal tersebut di atas mendukung ventilasi alami untuk kenyamanan, serta menjadi kriteria properti untuk analisa CFD pada bab yang selanjutnya. Di lantai bangunan dalam terjadi pemanasan yang selanjutnya berubah memanaskan aliran udara, dan dihantarkan mengenai dinding dan atap bangunan sehingga mengubah suhu dan massa udara secara nyata.
4
Kecepatan udara kurang tinggi alirannya dan terjadi aliran udara silang. Ternyata kondisi pindah panas di atap sangat menentukan karena terjadi konveksi dan konduksi di elemen atas bangunan ini.
5
Validasi dinyatakan dengan pengukuran dan perhitungan simulasi numerik dua dimensi.
6
Nilai panas jenis papan kayu diambil dari percobaan terdahulu panel palupuh bambu dengan metode campuran ini berkisar antara 1.585 kJ kg-1 o
C sampai 2.789 kJ kg-1 oC dan pada selang kadar air antara 8.86 sampai
9.28% bb. 7
Nilai difusivitas panas yang didapat dari penelitian adalah 0.11 x 10-6 m2 s-1.
60
Saran 1
Menghindari pemanasan hendaknya digunakan atap yang paling rendah nilai perambatan panasnya, seperti atap keramik atau genting tanah liat, agar mengurangi jumlah panas yang masuk dalam bangunan, terutama dekat tempat kerja dan tempat istirahat.
2
Pada bangunan kayu diharapkan digunakan lantai panggung sehingga terjadi pindah panas yang lebih rendah dan aliran udara dapat mengalir ke arah atas sehingga memberi sirkulasi atau ventilasi dalam bangunan.
3
Untuk mencari hambatan panas lebih besar diusahakan menggunakan material bangunan bahan adukan, selain kayu, karena nilai kapasitas jenis panas bahan adukan lebih kecil, sehingga mengurangi perambatan panas yang terjadi dalam bangunan. Dapat juga digunakan pelapisan zat kapur tohor sehingga warnanya menjadi putih (dapat memantulkan cahaya lebih besar) dan terlapisi oleh zat lain yang kering.
4
Kecepatan aliran angin yang kurang tinggi dan basah akan melindungi material yang mudah mengabsorbsi air. Selain itu, diperlukan juga bangunan panggung untuk menghindari peresapan air dari bagian yang lembab.
