Seminar Nasional Pascasarjana IX – ITS, Surabaya 12 Agustus 2009 ISBN No.
Telaah Desain Arsitektur Berkelanjutan sebagai Aplikasi Konsep Ergonomi dengan Pendekatan Model Simulasi Lingkungan
FX Teddy Badai Samodra 1* Laboratorium Sains Arsitektur dan Teknologi Jurusan Arsitektur 1* Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia
[email protected]
Abstrak Konsep ergonomi diarahkan untuk meningkatkan kualitas kesehatan dan keselamatan kerja dengan menyeimbangkan segala fasilitas fisik yang ada untuk kepentingan manusia. Arsitektur berkelanjutan dengan spesifikasi arsitektur lingkungan memberikan orientasi pada manusia sebagai fokus sebagai objek utama desain arsitektur. Dalam makalah ini, produk desain arsitektur berkelanjutan sebagai aplikasi konsep ergonomi merupakan kombinasi telaah aspek lingkungan seperti penghawaan alam, termal, dan penerangan alam yang bekerja secara simultan namun spesifik. Untuk memperoleh performansi yang optimal, maka dirancang suatu model simulasi lingkungan dengan implementasi kerja perangkat lunak. Sebagai studi kasus, maka ditetapkan ruang kerja dosen Jurusan Arsitektur FTSPITS sebagai objek pengamatan. Dari hasil observasi objek studi dan permodelan fisiknya, dapat digambarkan bahwa pertukaran udara memenuhi syarat hanya pada bulan terdingin (1 dari 10 model) dan memberikan pengaruh pada kondisi termal ruangan. Dari hasil simulasi termal, persentase jam nyaman rata-rata dalam 24 jam hanya 38% pada bulan terdingin dan 29% pada bulan terpanas. Dari pembahasan penerangan alam, kondisi eksisting maupun modifikasi memiliki optimasi dengan memenuhi batas minimum kenyamanan (DF≥2%). Elemen jendela utama pada ruang mengindikasikan nilai transimisi lebih besar dari refleksi, sedangkan elemen lain (dinding, lantai, plafon, sosoran, dan permukaan sekitar bangunan) memiliki nilai sebaliknya. Dari model simulasi lingkungan di atas, dapat ditarik kesimpulan bahwa penerangan alam merupakan aspek lingkungan yang memenuhi kebutuhan fisik sedangkan penghawaan alam dan termal memerlukan analisis desain yang lebih baik untuk pemenuhan persyaratan konsep ergonomi dengan pendekatan permodelan objek fisik. Katakunci: Arsitektur berkelanjutan, ergonomi, model fisik, simulasi lingkungan
1. Pendahuluan
2. Metode yang diterapkan
Dalam penerapan konsep ergonomi, kualitas kesehatan dan keselamatan kerja dengan menyeimbangkan segala fasilitas fisik yang ada untuk kepentingan manusia menjadi prioritas penting. Beberapa hal yang menjadi faktor yang mempengaruhi kondisi di atas salah satunya adalah lingkungan kerja fisik (Tarwaka et al, 2004). Lingkungan kerja fisik berkaitan langsung dengan iklim lokal yang terdiri beberapa elemen lingkungan: panas (termal), kebisingan, dan penerangan. Selain itu dibutuhkan juga kualitas udara yang baik (penghawaaan). Objek simulasi (ruang kerja dosen Jurusan Arsitektur FTSP-ITS) kurang/tidak memiliki permasalahan dengan kebisingan, fokus analisis diarahkan terhadap aspek penghawaan alam yang juga mempengaruhi termal ruang kerja dan penerangan alam. Atas dasar uraian di atas, maka makalah ini ditulis sebagai rekomendasi desain arsitektur berkelanjutan yang memperhatikan kenyamanan ruang untuk peningkatan kualitas kerja.
Makalah ini menelaah desain arsitektur dengan model simulasi terhadap aspek lingkungan: penghawaan alam dengan AIOLOS, termal dengan ARCHIPAK, dan penerangan alam dengan SUPERLITE. Secara umum, hasil simulasi akan memberikan rekomendasi desain terhadap kondisi eksisting objek observasi.
3. Ergonomi dan Desain Arsitektur Kesehatan, kepuasan, dan kinerja dapat digambarkan sebagai hubungan dengan suatu nilai yang sepadan dengan 0 sampai dengan 1 (Gambar 1.). Untuk kondisi ideal, penjumlahan ketiganya adalah 1, artinya masing-masing bernilai 1/3 dan menunjukkan bahwa ketiganya sama pentingnya. Untuk pencapaian kinerja (kualitas kerja) yang optimal, kualitas kesehatan dan kepuasan pemakai ruang kerja harus baik. Hal ini dapat dicapai dengan desain arsitektur yang hemat energi dengan pemanfatan penyejukan udara yang alami dan penerangan alami (berkelanjutan).
Seminar Nasional Pascasarjana IX – ITS, Surabaya 12 Agustus 2009 ISBN No.
belum memenuhi batas minimum kecepatan angin. Pada bulan terpanas, hanya zona 10 yang memenuhi persyaratan.
0 800
315
600
45 539
400 146200
Gambar 1. Hubungan Kesehatan, Kepuasan, dan Kinerja (Sumber: Soobahny, 2006)
270
90
0 91 539
225
135
4. Pembahasan Hasil 4.1 Telaah Kondisi Penghawaan Alam Simulasi objek observasi dibagi ke dalam 10 zona untuk simplifikasi analisis aliran udara dalam ruang (Gambar 2.). Standard kebutuhan pertukaran udara, untuk ruang dosen (Office), adalah 4 kali per jam (Szokolay, 1987). Hasil permodelan menunjukkan bahwa pada bulan terdingin, pertukaran udara (ACH) untuk zona 1 sampai dengan 3 mendekati 0, zona 4 sampai dengan 9 mendekati 4 kali/jam, sedangkan zona 10 memiliki ACH > 4 kali untuk tiap jamnya. Hal ini menunjukkan bahwa hanya zona 10 yang memenuhi batas minimal. Untuk bulan terpanas, terdeteksi juga hanya zona 10. Hal ini diindikasikan oleh dimensi bidang bukaan yang lebih besar pada selasar (zona 10) di banding dengan ruang kerjanya sendiri. Namun, untuk zona 9, memiliki ACH hampir 4 kali/jam, memiliki kondisi paling baik. ACH yang memenuhi syarat akan memberikan pengaruh pada kualitas udara untuk persyaratan kesehatan dan kecepatan angin untuk kenyamanan ruang kerja.
180 Gambar 3. Penghawaan Udara tiap Orientasi (ACH)
4.2 Telaah Kondisi Termal Simulasi termal model ditentukan oleh kondisi eksisting seperti Gambar 4. Atap menggunakan genteng dengan kemiringan 300 dan dinding bata 13cm dengan plesteran 2cm di sisi dalam dan luar.
Gambar 4. Objek Simulasi Termal
Gambar 2. Objek Simulasi Penghawaan Alam
Orientasi 45º (Timur Laut) dan 135º (Barat Daya), memiliki nilai lebih besar dari orientasi lain (Gambar 3.). Hal ini ini tidak dipengaruhi oleh luasan bukaan, tetapi karena flow rate yang melewati zone 10 (selasar) cukup besar. Standard kecepatan angin minimum untuk bulan terdingin 0.64m/s dan 1.42m/s pada bulan terpanas (Aynsley, 1977). Kecepatan angin pada bulan terdingin hanya zona 10 yang memenuhi kriteria, sedangkan zona 9 merupakan zona yang paling besar dibanding zona 1 s/d 8 meskipun
Hasil simulasi menunjukkan bahwa periode kenyamanan bangunan pada bulan terdingin sebesar 38% dalam sehari, sedangkan pada bulan terpanas, periode kenyamanan bangunan sebesar 29% dalam sehari (Gambar 5.). Pada bulan terdingin/terpanas kenyamanan pada jam aktif tidak pada ACH maksimum. Keadaan ini, diindikasikan oleh kondisi periodik termal bangunan di mana penghawaan sebagai carrier ter-schedule = 0 (closed) pada jam sebelumnya dan tlag yang panjang sehingga panas akan terkumpul dalam ruangan dan terhapus pada schedule = 1 (opened).
Seminar Nasional Pascasarjana IX – ITS, Surabaya 12 Agustus 2009 ISBN No.
paling tidak nyaman). Pada internal heat gains maksimum dicapai kondisi nyaman. Hal ini dipengaruhi oleh pola periodik termal di mana pada jam-jam sebelumnya (pk. 00.00-07.00) heat gain = 0.
BULAN TERDINGIN
under heating 0% comfort 38%
over heating 62%
underheating
BULAN TERPANAS
comfort
4.3 Telaah Kondisi Penerangan Alam Simulasi penerangan alam, seperti dalam Gambar 7., objek dianalisis dengan dibagi ke dalam titik-titik amatan dengan jumlah 10 kolom (A-J) x 6 baris (1-6). Hasil simulasi menggambarkan bahwa observasi titik sampel daylight pada ruang (60 titik), semua bagian terdistribusi dengan area pada baris 2, kolom D s/d G memiliki intensitas paling tinggi (Gambar 8.).
overheating under heating 0%
comfort 29%
over heating 71%
Gambar 5. Kenyamanan Termal
100 OH
80
Gambar 7. Objek Simulasi Penerangan Alam
UH
60 90.6
40 20
6
45.1
44.7
52.2 5
0 -20
4
To BLN Ti BLN To BLN Ti BLN TERDINGIN TERDINGIN TERPANAS TERPANAS
3
2
Gambar 6. Degree-Hours 1
Seperti ditunjukkan oleh Gambar 6., pada bulan terdingin bangunan mampu memperbaiki kondisi luar bangunan dengan penurunan nilai overheating, sebaliknya pada bulan terpanas justru menaikkan nilai overheating. Hal ini dipengaruhi oleh nilai global irradiance yang besar pada bulan terpanas. Dalam kaitannya dengan Heat flow elemen bangunan, atap (30deg tiles) dan dinding (brick) merupakan elemen bangunan yang paling besar melepas panas. Shading coefficient (moveable louvers = 0,1) dapat mengubah karakter jendela heat gain menjadi heat loss atau meningkatkan heat loss. Kondisi nyaman diperoleh ketika terjadi heat loss pk. 09.00 dan 10.00 pada jam aktif, hal terjadi karena pada jam sebelumnya terjadi heat loss yang besar sehingga secara periodik mempengaruhi kondisi pada jam berikutnya. Radiasi pada jam nyaman masih belum tinggi dan secara periodik dipengaruhi oleh nilai radiasi pada jam sebelumnya yang cukup rendah atau = 0 (orientasi 135º menunjukkan nilai paling tinggi-
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
Gambar 8. Distribusi Penerangan Alam pada Ruang
Gambar 9. Distribusi Daylight
Penerangan ruang oleh daylight didominasi oleh D-D (Daylight-Direct) pada tengah ruang (baris 2), dan D-R pada tepi ruang (Daylight-Reflected).
Seminar Nasional Pascasarjana IX – ITS, Surabaya 12 Agustus 2009 ISBN No.
Jadi, pada bagian tengah ruang bangunan, cahaya langit mengarah langsung dan pada bagian tepi ruang, kombinasi material refleksi mengakibatkan penambahan pencahayaan yang tidak terakomodasi oleh cahaya langsung (Gambar 9.). Area tengah ruang memiliki intensitas Illuminance (ft-candle) paling tinggi(= persentase DF). Tepi ruang (baris 1 dan 6) mendapatkan pantulan dari elemen ruang (ata dan lantai) dan outdoor (ground dan overhang) dan baris 2 memiliki penerangan lebih karena mendapat D-D paling besar. 13 12 11 10 9 8
koefisien tekanan dan keluaran, schedule bukaan dan orientasinya. 4. Comfort ventilation ditunjukkan oleh kecepatan angin internal. Kecepatan angin internal dipengaruhi oleh arah dan kecepatan angin referensial yang menentukan posisi inlet dan outlet dan aliran udara yang masuk ke dalam bangunan. 5. Rekomendasi desain: - Orientasi dan pengaturan schedule bukaan dapat meningkatkan volume frekuensi pertukaran udara dalam memenuhi standard kenyamanan ACH. - Strategi dalam modifikasi elemen bangunan dapat dilakukan dengan: o Menambah luas bukaan, apabila belum memenuhi batas minimal ACH. o Mengatur orientasi inlet dan outlet untuk mencapai nilai standard kecepatan angin.
7 6 5 4 3 2 1 0 A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
Gambar 10. Pengukuran Faktor Langit Baris untuk tiap Kolom Objek
Dalam analisis faktor langit (DF), standard penerangan (www.rediff.com), distribusi daylight untuk kantor dalam bangunan pendidikan ini memiliki batas minimum DF = 2%. Gambar 10. menunjukkan bahwa dalam ruang bangunan, semua bagian titik observasi memenuhi persyaratan minimum kebutuhan penerangan alam. Rasio ukuran bukaan dan ruang terhadap front wall relatif kecil, sehingga semua bagian ruang terdistribusi daylight sesuai batas kenyamanan. Pada jendela, besaran transmisi melebihi nilai refleksi sedangkan elemen lain seperti wall, floor, ceiling, ground, dan overhang berlaku sebaliknya, nilai transmisi kurang dari refleksi. Kondisi ini memberikan pengaruh masuknya penerangan dari terang langit cukup besar ke dalam ruangan secara langsung, sehingga memungkinkan semua titik pengukuran dalam ruang dosen, memiliki nilai DF >2%.
5. Kesimpulan 5.1 Desain Penghawaan Alam Berdasarkan fakta klimatik dan hasil permodelan program IOLOS, beberapa konsep dan fenomena dalam simulasi penghawaan alam dapat digambarkan sebagai berikut: 1. Berdasarkan analisis iklim tehadap arah dan kecepatan angin, kecepatan angin memenuhi criteria hanya pada bulan terdingin. 2. Pertukaran udara (ACH) dipengaruhi oleh kondisi klimatik di mana pada bulan terdingin pencapaian kenyamanan lebih baik dibanding bulan terpanas. 3. Pertukaran udara dipengaruhi juga oleh aliran udara (flow rate), kecepatan referensial,
5.2 Desain Termal Berdasarkan fakta klimatik dan hasil permodelan program IOLOS untuk memperoleh ACH, dan simulasi material bangunan dengan profram ARCHIPAK, beberapa konsep dan fenomena dalam simulasi termal dapat digambarkan sebagai berikut: 1. Berdasarkan analisis iklim tehadap temperatur luar, bulan terpanas kritis dengan kondisi discomfort (under-overheating tinggi daripada bulan terdingin). 2. Pertukaran udara (ACH) lebih tinggi pada bulan terpanas menjadi potensi untuk eliminasi panas dan sisi barat bangunan menerima aliran angin tinggi dengan dominasi arah angin pada arah timur. 3. Pada bulan terdingin/terpanas kenyamanan pada jam aktif tidak pada ACH maksimum, hal ini disebabkan oleh sistem periodik dalam transfer termal. 4. Atap dan dinding merupakan elemen bangunan yang paling besar melepas panas karena orientasinya pada nilai radiasi paling kecil. Shading coefficient dapat mengubah karakter jendela heat gain menjadi heat loss atau meningkatkan heat loss. 5. Pada internal heat gains maksimum, dicapai kondisi nyaman. Hal ini terjadi karena pola periodik termal (bukan secara langsung/steady state). 6. Rekomendasi desain: - Orientasi dapat mengurangi heat gain dengan minimalisasi bukaan pada global irradiance yang menunjukkan nilai tinggi. - Strategi modifikasi material bangunan dapat dilakukan dengan: o Mengurangi nilai sgf dan shading coefficient o Mengurangi nilai U-value (Pendinginan bangunan dapat dilakukan pada malam hari dengan penetapan schedule bukaan = 1 (opened) sehingga secara periodik akan mempengaruhi heat flow pada jam sesudahnya dan minimalisasi internal heat gain dapat mengurangi pemanasan/ akumulasi panas pada bangunan).
Seminar Nasional Pascasarjana IX – ITS, Surabaya 12 Agustus 2009 ISBN No.
5.3 Desain Penerangan Alam Berdasarkan fakta klimatik dan hasil permodelan program SUPERLITE untuk memperoleh nilai total illuminance dan Dayllight Factor, dan simulasi tipe overhang (top dan side) bangunan, beberapa konsep dan fenomena dalam simulasi penerangan dapat digambarkan sebagai berikut: 1. Area tengah ruang memiliki intensitas illuminance paling tinggi = persentase DF. Tepi ruang mendapatkan pantulan dari elemen ruang dan outdoor. 2. Rasio ukuran bukaan dan ruang/front wall relatif kecil, sehingga semua bagian ruang terdistribusi daylight sesuai batas minimum kenyamanan. 3. Rekomendasi desain: - Orientasi dapat menambah distribusi daylight atau menguranginya untuk menghindari glare (permukaan ground dan obstruction). - Strategi modifikasi elemen bangunan dapat dilakukan dengan: o Mengurangi nilai DF dengan menambah shading overhang (syarat = memenuhi batas minimum penerangan ruang) untuk menghindari glare. o Menambah nilai DF dengan menurangi/menghilangkan overhang untuk memenuhi batas minimal standard penerangan. - Distribusi daylight dalam ruang dapat dioptimalkan dengan menambah nilai transmisi jendela dan refleksi elemen ruang (wall, ceiling, floor) dan outdoor (ground, overhang).
6. Pustaka Aynsley, R.M., (1977). Architectural Aerodynamics. Applied Science publishers Ltd. London. Soobahny, S., Damelincourt, J.J., Zissis, G. (2006). Energy Savings in a Multi-criteria Approach to Visual and Thermal Comfort in Interior Environments. The Fourth International Conference on Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting (EEDAL). London, 21 – 23 June 2006. Szokolay, S.V., (1987). Thermal Design of Buildings. RAIA Education Division. Australia. Tarwaka, Bakri, SHA., Sudiajeng, L., (2004). Ergonomi untuk Keselamatan, Kesehatan Kerja, dan Produktivitas. Uniba Press. Surakarta. www.rediff.com
