KAJIAN PUSTAKA
2.2 Faktor yang Mempengaruhi Kenyamanan Thermal
Menurut Houghton dan Yaglou (‘Determining Lines of Equal Comfort’, Transactions of America Society of Heating and Ventilating Engineers Vol. 29, 1923) kenyamanan thermal dipengaruhi oleh faktor radiasi panas, temperatur, kelembaban udara dan gerakan udara yang disebut sebagai temperatur efektif (TE).
2.2.1 Temperatur udara
Faktor utama yang mempengaruhi temperatur udara adalah proses pemanasan dan pendinginan permukaaan benda/bumi. Panas/dingin yang terjadi di udara adalah akibat persinggungan udara dengan permukaan yang panas/dingin. Selanjutnya lapisan udara tersebut akan memanaskan/mendinginkan lapisan di atasnya.
Temperatur udara lingkungan menentukan pertukaran panas yang terjadi antara permukaan kulit tubuh dengan udara sekitarnya. Bila temperatur udara lebih
12 rendah dari temperatur tubuh maka tubuh akan melepaskan panas sedangkan bila temperatur udara lebih tinggi makan tubuh akan menerima panas. Efek dari temperatur udara langsung dapat dirasakan tubuh, penaikan/penurunan temperatur selalu menyebabkan perubahan sensasi thermal.
2.2.2 Kelembaban Udara
Kelembaban udara adalah kandungan uap air di udara. Sumber dari uap air tersebut antara lain adalah penguapan air laut, permukaan yang basah, repirasi/pernafasan dari tumbuhan dan juga dari tubuh manusia. Tingkat kelembaban udara akan berbeda apabila jumlah pengguna di suatu tempat yang sama berbeda.
Kelembaban udara juga dipengaruhi angin. Semakin sering dan kuat angin, kelembaban udara akan semakin menurun, karena angin membawa dan mendistribusikan uap air yang ada di udara.
Kelembaban udara yang terlihat pada nilai relatif humidity (RH) menentukan nilai evaporasi yang dimungkinkan oleh lingkungan dan adaptasi yang dilakukan tubuh terhadap perubahan nilai evaporasi tersebut. Nilai RH 100% berarti udara sudah dalam keadaan jenuh, tidak ada lagi uap air yang mampu ditampung oleh udara. Efek kelembaban udara terhadap kenyamanan thermal tergantung kombinasinya dengan faktor-faktor lain yaitu temperatur, kecepatan angin, pakaian dan tingkat metabolisme tubuh.
Berdasarkan SNI 03-6572-2001, nilai RH yang dianjurkan untuk suatu ruangan antara 40%-50%, dan untuk ruangan dengan pengguna yang padat masih
13 diperbolehkan pada rentang 55%-60%. J.W.Weller dan Youle juga menyatakan bahwa kelembaban udara yang dirasa nyaman yaitu pada tingkat relatif humidity (RH) 40-60%. Nilai RH optimum tersebut didasarkan dari pemenelitian dimana jika nilai RH tidak pada rentang tersebut maka dapat menyebabkan gangguan kesehatan yang disebabkan oleh bakteri, virus, jamur dan lain sebagainya, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Zona Optimal Kelembaban Sumber: Theodor D.Sterling and Associates,Ltd
2.2.3 Kecepatan angin
Angin terjadi karena perbedaan tekanan udara pada suatu area dengan area di sekitarnya. Angin mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Dalam proses pergerakannya angin membawa suhu udara dingin dan uap air.
Kecepatan angin dalam ruang dipengaruhi bentuk geometri dan lokasi bukaan pada ruang tersebut terhadap arah datangnya angin.
14 Efek kecepatan angin terhadap kenyamanan thermal pada manusia bergantung pada temperatur dan kelembaban udara. Pada temperatur <33°C penaikan kecepatan angin akan mengurangi sensasi thermal. Pada temperatur 33-37°C kecepatan angin tidak mempunyai efek yang berarti terhadap sensasi thermal hanya dapat mengurangi ketidaknyamanan akibat kulit basah. Pada temperatur >37°C penaikan kecepatan angin sebenarnya dapat menaikkan thermal sensation yang disebabkan panas, tetapi dapat menurunkan kadar kebasahan kulit. Kecepatan angin yang dapat menimbulkan rasa segar berkisar antara 0,15-0,3 m/s (J.W.Weller dan Youle, 1981).
Berdasarkan SNI 03-6572-2001, tentang tata cara perancangan sistem ventilasi dan pengkondisian udara pada bangunan gedung menyebutkan bahwa:
1. Jumlah bukaan ventilasi tidak kurang dari 5% terhadap luas lantai ruangan yang membutuhkan ventilasi.
2. Untuk menghitung pergantian udara didalam bangunan dengan cara menghitung luas lubang bukaan dan sistem ventilasi digunakan rumus persamaan 2.1 (Terry S.Boatet, 1987):
Q = CV.A.V... (2.1) dimana:
Q = laju aliran udara, m³/detik.
A = luas bebas dari bukaan inlet, m².
V = kecepatan angin, m/detik.
15 CV = effectiveness dari bukaan (CV dianggap sama dengan 0,5 ~ 0,6 untuk angin yang tegak lurus dan 0,25 ~ 0,35 untuk angin yang diagonal).
2.2.4 Radiasi matahari
Radiasi matahari adalah pancaran energi yang berasal dari proses thermo- nuklir yang terjadi di matahari. Energi radiasi matahari berbentuk sinar dan gelombang elektromagnetik. Spektrum radiasi matahari sendiri terdiri dari dua jenis yaitu, sinar bergelombang pendek diantaranya, sinar x, sinar gamma, sinar ultra violet, dan sinar bergelombang panjang seperti sinar infra merah. Radiasi matahari memancarkan sinar ultra violet (6%), cahaya tampak (48%) dan sinar infra merah yang memberikan efek panas sangat besar (46%).
Radiasi matahari ini merupakan faktor utama pada perancangan dengan iklim tropis karena radiasi matahari berlebih akan mempengaruhi pertambahan panas bangunan. Pertambahan panas bangunan dapat terjadi dari berbagai sumber, akan tetapi radiasi matahari yang masuk ke dalam bangunan melalui selubung bangunan menjadi penyumbang yang terbesar. Sehingga untuk menghasilkan desain yang optimal dalam mereduksi radiasi matahari ini, harus mengetahui parameter-parameter desain yang mempengaruhinya. Untuk lebih jelasnya mengenai masuknya energi radiasi matahari ke dalam bangunan dapat dilihat pada Gambar 2.2.
16
Gambar 2.2 Sumber Panas Bangunan Sumber: http://mnre.gov.in/solar-energy/ch4.pdf
Kuantitas total panas matahari yang mengenai permukaan terdiri dari radiasi langsung (direct radiation) yang tidak terbayangi dan radiasi tidak langsung (diffuse radiation) yang berasal dari pembiasan langit serta pemantulan permukaan bangunan dan tanah sekitar (Bradshaw, 2006) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Jenis Radiasi Matahari
Sumber: http://tboake.com/carbon-aia/strategies1a.html
Untuk kepentingan analisa besaran radiasi yang masuk ke dalam bangunan pada bab selanjutnya, peneliti berpedoman ke pada SNI 03-6389-2000 tentang
17 konservasi energi selubung bangunan pada bangunan gedung yang menyebutkan selubung bangunan harus memenuhi persyaratan-persyaratan sebagai berikut:
1. Perolehan panas radiasi matahari total untuk dinding dan atap tidak boleh melebihi nilai perpindahan panas menyeluruh.
2. Untuk membatasi perolehan panas akibat radiasi matahari lewat selubung bangunan, yaitu dinding dan atap, maka ditentukan nilai perpindahan thermal menyeluruh untuk selubung bangunan tidak melebihi 45 watt/m².
3. Harga maksimum transmitasi thermal (U) untuk penutup atap tanpa lubang cahaya misalnya atap ringan (<50kg/m²) dengan warna terang adalah 0,7 W/m² K, sedangkan warna gelap 0,5 W/m² K.
2.2.4.1 Overall Thermal Transfer Value (OTTV)
OTTV adalah suatu nilai yang diterapkan sebagai kriteria perancangan untuk dinding dan kaca bagian luar bangunan gedung yang dikondisikan.
Konsep OTTV ini mencakup tiga elemen dasar perpindahan panas melalui dinding luar bangunan, antara lain:
a. Konduksi panas melalui dinding tidak tembus cahaya.
b. Konduksi panas melalui kaca.
c. Transmisi radiasi matahari melalui kaca.
Besarnya transmisi radiasi matahari dipengaruhi oleh intensitas radiasi matahari yang diterima, koefisien peneduh dari kaca dan dari alat peneduh (kalau ada). Konduksi panas melalui dinding dan kaca dipengaruhi oleh harga transmitansi
18 (U) dari dinding dan dari kaca, beda temperatur udara di luar terhadap temperatur udara didalam bangunan (∆T) dan absortansi radiasi matahari dari permukaan luar dari dinding.
Ketiga masukan panas ini dirata-ratakan pada seluruh permukaan dari dinding luar bangunan. Dengan memberikan harga batas tertentu untuk OTTV, maka besarnya beban eksternal dapat dibatasi. Besarnya OTTV dipengaruhi oleh perencanaan dari selubung bangunan, antara lain: luas dan jenis kaca, luas dan jenis bahan dinding serta ketebalannya, warna pemukaan luar dinding dan orientasinya.
Nilai perpindahan thermal menyeluruh atau OTTV untuk setiap bidang dinding luar bangunan gedung dengan orientasi tertentu, harus dihitung melalui persamaan 2.2.
OTTV = α (Uw x (1-WWR)) x TDek + (SC x WWR x SF) + (Ufx WWR x ∆T)...(2.2) Dimana:
OTTV = Nilai perpindahan thermal menyeluruh pada dinding luar yang memiliki arah atau orientasi tertentu (Watt/m²).
α = Absorbstansi radiasi matahari.
Uw = Transmitansi thermal dinding tidak tembus cahaya (Watt/m².K).
WWR = Perbandingan luas jendela dengan luas seluruh dinding luar pada orientasi yang ditentukan.
TDek = Beda temperatur ekuivalen (K).
SC = Koefisien peneduh dari sistem fenestrasi.
SF = Faktor radiasi matahari (W/m²).
19 Uf = Transmitansi thermal fenestrasi (W/m².K).
∆T = Beda temperatur perencanaan antara bagian luar dan bagian dalam.
Untuk menghitung OTTV seluruh dinding luar, digunakan persamaan 2.3.
OTTV= (A01x OTTV1) + (A02x OTTV2)+...+ (A0ix OTTVi)...(2.3) A01+ A02+...+ A0i
Dimana:
A0i = Luas dinding pada bagian dinding luar i (m²). Luas ini termasuk semua permukaan dinding tidak tembus cahaya dan luas permukaan jendela yang terdapat pada bagian dinding tersebut.
OTTVi = Nilai perpindahan thermal menyeluruh pada bagian dinding i sebagai hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan.
a. Absorbtansi thermal (α)
Absorbtansi thermal adalah nilai penyerapan energi thermal akibat radiasi matahari pada suatu bahan dan ditentukan pula oleh warna bahan tersebut.
Nilai absorbtansi berbagai jenis material berbeda-beda, dengan material bata merah yang memiliki tingkat penyerapan radiasi matahari yang paling sedikit.
Sedangkan untuk material yang paling baik penyerapan radiasi matahari yaitu lembaran alumunium yang berkilat, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.1.
20
Tabel 2.1 Nilai Absorbtansi Radiasi Matahari Untuk Dinding Luar dan Atap Tidak Tembus Cahaya
b. Transmitansi thermal (U)
Transmitansi thermal adalah koefisien perpindahan kalor dari udara pada satu sisi bahan ke udara pada sisi lainnya.
Untuk dinding tidak tembus cahaya dan fenestrasi yang terdiri dari beberapa lapis komponen bangunan maka besarnya U dapat dihitung dengan persamaan rumus 2.4.
U=1/Rtotal... (2.4) Dimana Rtotal = Tananan panas total yang besarnya sama dengan jumlah dari masing-masing tanahan panas dari permukaan udara luar, bahan homogen, bahan tidak homogen dan permukaan udara dalam.
Bahan dinding luar α
Bata merah 0,91
Bitumunous felt 0,89
Batu sabak 0,88
Beton ringan 0,87
Aspal jalan setapak 0,86
Kayu permukaan halus 0,82
Beton ekspos 0,78
Bata gelazur putih 0,26
Lembaran alumunium yang dikilapkan.
0,25
Sumber: SNI 03-6389-2000
21 Resistansi thermal terdiri dari:
1. Resistansi lapisan udara luar (Rug)
Nilai resistansi lapisan udara luar (Rug) untuk beberapa jenis permukaan dinding baik itu permukaan dinding dalam maupun luar dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Nilai R Lapisan Udara Permukaan Untuk Dinding dan Atap Jenis permukaan Resistansi Thermal R
(m².K/Watt)
Permukaan dalam (RUP) Emisifitas tinggi 0,120 Emisifitas rendah 0,299
Permukaan luar (RUL) Emisifitas tinggi 0,044
Keterangan:
a. Emisifitas tinggi adalah permukaan halus yang tidak mengkilap (non reflektif).
b. Emisifitas rendah adalah permukaan dalam yang sangat reflektif, seperti alumunium foil.
2. Resistansi thermal bahan (Rk) menggunakan persamaan rumus 2.5.
Rk = t/k... (2.5) Dimana :
Sumber: SNI 03-6389-2000
22
t= Tebal bahan (m), k = nilai konduktifitas thermal bahan (watt/m.K).
Nilai k untuk berbagai jenis bahan dapat dilihat pada Tabel 2.3 dan 2.4.
Tabel 2.3 Nilai K Pada Berbagai Jenis Bahan Bangunan
NO OOo
Bahan bangunan Densitas (kg/m3) K
(W/m.
K)
1 Beton 2400 1,448
2 Beton ringan 960 0,303
3 Bata dengan lapisan plester 1760 0,807
4 Bata langsung dipasang tanpa plester,tahan
17 Marmer/Batako/terazo/keramik/mozaik 2640 1,298
3. Resistansi thermal rongga udara (RRU)
Tabel 2.4 Nilai R Lapisan Rongga Udara
No Jenis celah udara 5 mm 10 mm 100 mm
Rongga udara horizontal/miring (aliran panas
3 rongga udara horizontal 0,110 0,148 0,174
Sumber: SNI 03-6389-2000
23
No Jenis celah udara
rongga udara dengan kemiringan 22 ½
5 mm
4. Resistansi thermal lapisan udara permukaan (RUP)
Nilainya seperti yang ditunjukkan pada tabel lapisan udara untuk dinding dan atap.
5. Beda temperatur ekuivalen
Beda temperatur ekuivalen (TDEK) dipengaruhi oleh:
Tabel 2.5 Beda Temperatur Ekuivalen Untuk Dinding
Berat/satuan luas (kg/m2 ) TDEK
Berat/satuan luas (kg/m2 ) 15
Kurang dari 125 12
126 ~ 195 10
6. Faktor rerata radiasi matahari Sumber: SNI 03-6389-2000
Sumber: SNI 03-6389-2000
Tabel 2.4 (Lanjutan)
24 Faktor radiasi matahari dihitung antara jam 07.00 WIB sampai dengan jam 18.00 WIB nilai SF diambil dari data intensitas radiasi matahari tertinggi dalam 1 bulan pada tahun 2014. Dari data yang diperoleh maka dapat diketahui bahwa intensitas radiasi matahari tertinggi terdapat pada bulan April 2014 sebesar 1134 joule/hari. 1134 j/hari dibagi 11 jam = 103.1joule/cm² = 103.1 x 10000/3600= 286,4Watt/m², Maka SF = 286, 4 Watt/m².
2.2.4.2 Roof Thermal Transfer Value (RTTV)
RTTV adalah suatu nilai yang ditetapkan sebagai kriteria perancangan untuk penutup atap. Nilai perpindahan thermal dari penutup atap bangunan gedung dengan orientasi tertentu, harus dihitung melalui persamaan rumus 2.6.
RTTV = α (Arx Ur x TDEK ) + (As x Us x DT) + ( As x SC x SF)...(2.6) A0
Dimana:
RTTV = Nilai perpindahan thermal atap yang memiliki arah atau orientasi tertentu (Watt/m2)
a = Absorbtansi radiasi matahari.
Ar = Luas atap yang tidak tembus cahaya (m²).
As = Luas skylight (m²).
A0 = Luas total atap = Ar + As (m²).
Ur = Transmitansi thermal atap tidak tembus cahaya (Watt/m².K).
TDEK = Beda temperatur ekuivalen (K).
25 Sc = Koefisien peneduh dari sistem fenestrasi.
SF = Faktor rasiasi matahari (W/ m²).
Us = Transmitansi thermal fenestrasi (skylight)(W/m².K).
DT = Beda temperatur perencaan antara bagian luar dan bagian dalam a. Transmitansi thermal atap (Ur).
Transmitansi thermal atap adalah koefisien perpindahan kalor dari udara pada satu sisi bahan atap ke udara pada sisi lainnya, untuk berbagai jenis nilai transmitansi atap penutup atap dapat dilihat pada Tabel 2.6.
Tabel 2.6 Nilai transmitansi thermal maksimal penutup atap (Ur)
Keterangan:
1) Atap genteng.
2) Atap beton ringan.
3) Atap beton ketebalan > 6 inci (15 cm).
b. Beda temperatur ekuivalen atap (TDEK).
Berat per satuan luas atap (kg/m2) Transmitansi thermal maksimal (W/m2.K)
Di bawah 50 ...(1) 0,5
50 ~ 230 ...(2) 0,8
lebih dari 230...(3) 1,2
Sumber: SNI 03-6389-2000
26 Beda temperatur ekuivalen atap juga dipengaruhi oleh beberapa faktor berikut antara lain: tipe atap, massa atap, densitas konstruksi atap, dan intensitas matahari dan lamanya penyinaran yang mengenai atap bangunan. Untuk mempermudah perhitungan RTTV maka nilai TDEK untuk berbagai tipe konstruksi atap dapat dilihat pada Tabel 2.7.
Tabel 2.7 Beda Temperatur Ekuivalen Untuk Berbagai Penutup Atap
Berat per satuan luas atap (kg/m2) Beda temperatur Ekuivalen (TDEK),K
Di bawah 50 ...(1) 24
50 ~ 230 ...(2) 20
lebih dari 230...(3) 16
c. Faktor radiasi matahari atap (Sf)
Nilai faktor radiasi matahari untuk bidang horizontal yang dihitung antara jam 07.00 WIB sampai dengan 18.00 WIB adalah SF = 316 Watt/m².