ANALISIS KENYAMANAN TERMAL GEDUNG KULIAH
B1-IPB BERATAP TANAMAN DENGAN TEKNIK SIMULASI
BERBASIS
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
MAULIYAWAN ILHAM
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisis Kenyamanan Termal Gedung Kuliah B1-IPB Beratap Tanaman dengan Teknik Simulasi Berbasis Computational Fluid Dynamics adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Juni 2013
Mauliyawan Ilham
ABSTRAK
MAULIYAWAN ILHAM. Analisis Kenyamanan Termal Gedung Kuliah B1-IPB Beratap Tanaman dengan Teknik Simulasi Berbasis Computational Fluid Dynamics. Di bawah bimbingan Meiske Widyarti. 2013.
Atap hijau (green roof) merupakan atap bangunan yang ditutupi dengan vegetasi. Tipe atap ini banyak digunakan sebagai bangunan yang ramah lingkungan karena dapat menekan penggunaan energi dan meminimalkan dampak polusi CO2 dari bangunan. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui keadaan termal ruang Gedung Kuliah B1-IPB. Pada penelitian ini dilakukan perbandingan kenyamanan termal dari Gedung Kuliah B1 dengan kondisi awal, menggunakan atap tanaman dan optimalisasi bukaan pintu. Analisis dibuat dengan menggunakan teknik simulasi berbasis Computational Fluid Dynamics menggunakan program
Solidworks 2012. Hasil simulasi menunjukan bahwa suhu efektif (TE) tertinggi keadaan existing adalah pada jam 13.00, yaitu 28°C dengan kelembaban relatif udara (RH) berada pada kisaran 77%-79%. Dengan atap hijau mampu menurunkan TE jam 13 menjadi 25.1°C dengan RH pada kisaran 75%-77%. Tambahan bukaan pintu masuk pada gedung beratap hijau mampu menurunkan TE pada jam 13.00 menjadi 23.1°C dengan RH berkisar 46%-48%. Keadaan ruang setelah modifikasi atap dan bukaan pintu berada pada zona kenyamanan termal dengan TE 21°C-23.1°C dan RH antara 40%-50%. Penurunan RH terjadi akibat perubahan sirkulasi udara dari pembukaan pintu masuk.
Kata kunci: atap hijau, Computational Fluid Dynamics, kenyamanan termal,
solidworks, simulasi
ABSTRACT
MAULIYAWAN ILHAM. Thermal Comfort Analysis at Class Room B1, FEM-IPB, by Sambiloto Plant Green Roof with Simulation Technique. Supervised by Meiske Widyarti. 2013.
Green roof are building’s roof that covered by vegetation. Green roof applications are able to keep room temperature comfort. This study aimed to fine out thermal condition of Class Room B1, Faculty of Economic and Management, IPB. Class Room B1 drawing is built by Solidworks 2012 program. In this research are compare the thermal comfort of B1 classroom which used a concrete roof, plant roof and opening optimization. The green roof use sambiloto plant this research result found out that the. Highest effective temperature (TE) existing condition at
13.00 o’clock 28°C TE with relative humidity (RH) is about 77%-79%. Green
roof application can keep TE at 13.00 o’clock up to 25.1°C with relative humidity
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan
ANALISIS KENYAMANAN TERMAL GEDUNG KULIAH B1,
FEM-IPB, BERATAP HIJAU TANAMAN SAMBILOTO
DENGAN TEKNIK SIMULASI BERBASIS
CFD
MAULIYAWAN ILHAM
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
Judul Skripsi : Analisis Kenyamanan Termal Gedung Kuliah B1, Fakultas FEM-IPB, Beratap Hijau Tanaman Sambiloto dengan Teknik Simulasi Berbasis CFD
Nama : Mauliyawan Ilham NIM : F44090017
Disetujui oleh
Dr. Ir. Meiske Widyarti M.Eng Pembimbing
Diketahui oleh
Prof. Dr. Ir. Budi Indra Setiawan, M.Agr Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Tema yang dipilih dalam penelitian ini ialah green building, dengan judul Analisis Kenyamanan Termal Gedung Kuliah B1, FEM-IPB, Beratap Hijau Tanaman Sambiloto dengan Teknik Simulasi Berbasis CFD.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. ALLAH SWT. yang telah memberikan ridho-NYA sehingga dalam pelaksanaan penelitian dan penyusunan laporan berjalan dengan baik dan lancar.
2. Dr. Ir. Meiske Widyarti M.Eng, selaku dosen pembimbing akademik yang telah memberikan pengarahan dan masukan yang sangat bermanfaat dalam penyusunan laporan.
3. Kedua orang tua saya yang selalu memberikan doa, semangat, dan dukungan dalam seluruh kegiatan saya.
4. Kedua kakak saya, Fajar dan Lida serta Uji yang selalu memberikan dorongan dan perhatiannya.
5. Seluruh sahabat saya di UKM MAX!! IPB terutama Bari, Memey, Khalid, Zha, Herna, dan Ubur yang selalu menyempatkan waktunya ketika saya mengalami kemunduran.
6. Bang Zega, dan Pak Ahmad yang telah membantu dan memberikan masukan yang berguna dalam penelitian ini.
7. Cacan dan Yuni, serta seluruh teman-teman SIL’46, terima kasih kebersamaan dan dukungannya.
Masih terdapat banyak kekurangan yang penulis lakukan selama penyusunan skripsi ini, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan adanya masukan guna mendorong penulis dan memperbaiki kekurangan yang ada.
Bogor, Agustus 2013
DAFTAR ISI
Penggambaran Geometri Gedung Kuliah B1 6
Kondisi Termal Awal Gedung Kuliah B1 7
Simulasi Keadaan Termal Awal Gedung Kuliah B1 8
Modifikasi Gedung Kuliah B1 dengan Atap Hijau 10
Hasil Simulasi Termal dengan Atap Hijau 11
Saran Optimalisasi Kenyamanan Termal dengan Modifikasi 15
DAFTAR TABEL
1 Tingkat kenyamanan berdasarkan letak geografis dan suku bangsa 6 2 Data kondisi lingkungan bagian tengah ruangan Gedung Kuliah B1 7 3 Contoh data hasil simulasi keadaan awal Gedung Kuliah B1 jam 13.00 8 4 Suhu efektif titk 2 ketinggian 1 m simulasi awal 9 5 Engineering database tanah mineral dan tanaman sambiloto 10 6 Suhu dan RH titik 2 ketinggian 1 m ruangan sebelum dan setelah
aplikasi atap hijau 12
7 Penurunan TE titik 2 ketinggian 1 m Gedung Kuliah B1 beratap hijau 12 8 Contoh perubahan keadaan termal dengan atap hijau jam 13.00 13 9 Perubahan suhu efektif titik 2 ketinggian 1 m Gedung Kuliah B1
modifikasi 16
10 Contoh perubahan suhu ruangan Gedung Kuliah B1 jam 13.00 17 11 Penurunan RH Gedung Kuliah B1modifikasi pada titik 2 ketinggian 1
m 17
12 Contoh perubahan RH ruangan Gedung Kuliah B1 jam 13.00 18
DAFTAR GAMBAR
1 Diagram alir penelitian 3
2 Titik-titik pengambilan data 4
3 Titik-titk pengambilan data pada atap 4
4 Denah Gedung Kuliah B1 7
5 Boundray conditions 9
6 Tampak isometri model Gedung Kuliah B1 dengan atap hijau 11 7 Denah pola sebaran suhu dengan atap hijau pada ketinggian 1 m 14 8 Tampak samping pola sebaran suhu dengan atap hijau 14 9 Denah pola sebaran RH Gedung Kuliah B1 beratap hijau 15 10 Tampak samping pola sebaran RH Gedung Kuliah B1 beratap hijau 15 11 Tampak depan Gedung Kuliah B1 modifikasi pintu 16 12 Grafik perbandingan TE awal, atap hijau, dan modifikasi titik 2
ketinggian 1 m 16
13 Grafik perbandingan RH awal, atap hijau, dan modifikasi titik 2
ketinggian 1 m 18
14 Denah pola sebaran RH modifikasi pada ketinggian 1 m 19
15 Tampak samping pola sebaran RH modifikasi 19
16 Denah pola sirkulasi udara awal ketinggian 1 m 20 17 Denah pola sirkulasi udara modifikasi ketinggian 1 m 20
18 Pola sirkulasi udara awal 20
19 Pola sirkulasi udara modifikasi 20
DAFTAR LAMPIRAN
2 Nomogram suhu efektif 26
3 Tahap general setting 27
4 Data hasil pengukuran kondisi lingkungan Gedung Kuliah B1 28 5 Data hasil simulasi model Gedung Kuliah B1 keadaan existing 30
6 Validasi data 32
6 RH kelembaban relatif udara hasil pengukuran
7 RH’ kelembaban relatif udara hasil simulasi keadaan exsting 8 RH’’ kelembaban relatif udara hasil simalasi atap hijau
9 RH’’’ kelembaban relatif udara hasil simulasi modifikasi
10 T suhu udara hasil pengukuran
11 T’ suhu udara hasil simulasi keadaan exsting 12 T’’ suhu udara hasil simulasi atap hijau 13 T’’’ suhu udara hasil simulasi modifikasi 14 TE suhu efektif
15 v kecepatan aliran udara hasil pengukuran
16 v’ kecepatan aliran udara hasil simulasi keadaan existing 17 v’’ kecepatan aliran udara hasil simulasi atap hijau 18 v’’’ kecepatan aliran udara hasil simulasi modifikasi
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pembangunan infrastruktur dalam berbagai bidang terus meningkat, tidak terkecuali bidang pendidikan Indonesia seperti pembangunan ruangan kelas mengikuti bertambahnya kuantitas pelajar. Menurut beberapa penelitian pembangunan tersebut tidak diimbangi dengan pemahaman akan pentingnya kenyamanan dan penghematan penggunaan energi dalam proses belajar mengajar. Menurut pengamatan di Institut Pertanian Bogor (IPB), pada mayoritas gedung kenyamanan cenderung didapatkan melalui teknik yang boros penggunaan energi seperti instalasi air conditioner (AC) pada berbagai ruangan kelas. Pemilihan cara tersebut dapat menyebabkan terjadinya penurunan kualitas lingkungan akibat polusi CO2. Maka dari itu diperlukan suatu penelitian dalam pembangunan ruangan kelas agar dapat ekonomis, efisien, dan efektif serta lebih ramah lingkungan.
Pembangunan yang nyaman dan ramah lingkungan populer dengan istilah konsep greenbuilding. Green building merupakan bangunan yang berwawasan lingkungan dan hemat energi sebagai usaha untuk mengurangi dampak terhadap lingkungan yang berkembang saat ini misalnya pemanasan global, pengurangan material tak terbaharui, dan pembangunan yang ekonomis. Salah satu pengaplikasian konsep green building adalah dengan penggunaan greenroof.
Green roof atau atap hijau merupakan atap bangunan yang sebagian atau seluruhnya ditutupi dengan vegetasi. Aplikasi greenroof dapat menahan panas radiasi sinar matahari yang masuk ke dalam ruangan dan juga membantu menjaga suhu lingkungan tidak terlalu tinggi dibanding atap tanpa tanaman (Satwiko 2008). Perlu diteliti tentang berkurangnya panas yang masuk ke dalam ruangan kelas agar dapat meningkatkan kenyamanan termal yang menunjang kelancaran proses belajar mengajar. Pada penelitian ini akan dilakukan studi dari manfaat aplikasi
greenroof sebagai upaya tercapainya kenyamanan termal yang baik selain peningkatan estetika bangunan. Gedung Kuliah B1-IPB dipilih sebagai objek penelitian ini karena dalam perencanaan seharusnya ruang kelas ini menggunakan atap hijau. Teknik simulasi digunakan untuk melihat perbandingan kondisi kenyamanan ruang sebelum aplikasi greenroof dan dengan penggunaan greenroof. Teknik simulasi ini diketahui dapat merupakan solusi untuk mengetahui kondisi lingkungan yaitu kenyamanan termal pada bangunan sebelum pembangunan.
Simulasi dibuat menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics
(CFD)) untuk mengetahui pola sebaran aliran udara, suhu, dan RH dalam ruangan kelas agar dapat diketahuikondisi kenyamanan ruang kelas dengan menggunakan
green roof dan menggunakan atap beton.
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut, beberapa masalah yang dapat dirumuskan:
1. Bagaimana kondisi kenyamanan termal Gedung Kuliah B1?
2
3. Apakah atap hijau Gedung Kuliah B1 dapat membuat kondisi kenyamanan ruang menjadi lebih baik?
Tujuan Penelitian
Berdasarkan permasalahan yang telah dirumuskan, tujuan yang diperoleh dari penelitian ini:
1. Melakukan pengukuran kondisi kenyamanan termal Gedung Kuliah B1, FEM, IPB.
2. Memodifikasi atap dengan atap hijau dan menganalisis perbandingan kenyamanan termal Gedung Kuliah B1 kondisi awal dengan kondisi menggunakan atap hijau.
3. menganalisis kenyamanan termal ruang Gedung Kuliah B1 dengan mengoptimalkan bukaan dinding.
Manfaat Penelitian Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini:
1. Mengetahui dan memberikan informasi terkait kondisi kenyamanan termal desain ruangan kuliah seperti Gedung Kuliah B1.
2. Hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi bagi institusi terkait dalam upaya pembangunan ruangan kelas yang nyaman secara termal dan hemat energi.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dari penelitian ini terbatas pada keadaan termal Gedung Kuliah B1 pada keadaan sebenarnya dan menggunakan atap hijau hasil modifikasi yang meliputi simulasi: Fakultas Ekonomi dan Manajemen, Kampus IPB Dramaga, Bogor. Pengolahan dan analisis data dilakukan di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Fakultas Teknologi Pertanian (FATETA), IPB.
Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan:
1. Digital Multi Meter Instrument (Anemometer, Termometer, Hygrometer, dan
Lighmeter)
3
3. Weather Station
4. Personal Computer atau Laptop 5. Software Solidworks 2012 64 bit
6. Software MunterS HDPsyChart
7. Gambar Geometri Gedung Kelas B1 FEM IPB dicontoh dari peta Class Room Type B1 dalam dokumen peta As Built Drawing of Architectural Works for Package A1 Additional Construction Works for Building of Faculty of Agriculture terdapat pada Lampiran 1
8. Tabel nomogram suhu efektif terdapat pada Lampiran 2 ProsedurPenelitian
Gambar 1. Diagram alir penelitian 1. Pengumpulan Data
Data yang diukur di lokasi adalah pengukuran suhu, kelembaban udara (RH), kecepatan aliran udara, dan radiasi sinar matahari. Data lingkungan tersebut diukur dalam waktu 3 hari pada bulan Mei secara acak (10, 17, dan 24 Mei).
4
Gambar 2. Titik-titik pengambilan data
Gambar 3. Titik-titik pengambilan data pada atap
5
2. Penggambaran Geometri Gedung Kuliah B1 FEM IPB
Gambar dan dimensi Gedung Kuliah B1 yang telah dibuat dengan menggunakan program Solidworks 2012 64 bit.
3. Input Data Lingkungan Awal yang Diambil Pada Pengukuran
Input data akan mempergunakan kondisi terburuk dari data pengukuran ruang dan lingkungan.
Input data lingkungan di dalam program Solidworks dilakukan pada menu
General Setting. Adapun tahapan pada General Setting yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Analysis type
Pada tahap ini dipilih tipe analisis internal yang digunakan untuk simulasi. Data yang diinput pada tahap ini adalah radiasi matahari, arah radiasi matahari, dan suhu lingkungan. Input data disesuaikan setiap jam pengukuran.
2. Fluids
Fluida yang digunakan didefinisikan sebagai gas udara dengan aliran laminar dan turbulen untuk mendekati kondisi sebenarnya.
3. Wall conditions
Hasil simulasi yang baik dapat ditentukan dengan memilih tingkat initial mesh
8, namun karena keterbatasan spek personal computer yang dimiliki maka dipilih initial mesh 3.
6. Pendefinisian material bangunan
Penyerapan panas pada material bangunan diperhitungkan maka dibutuhkan pendefinisian setiap bagian bangunan yang digunakan.
Tahap general setting secara lengkap terlampir pada Lampiran 3. 4. Simulasi CFD
Simulasi kondisi kenyamanan termal menggunakan program Solidworks 2012 64 bit dengan flow simulation. Pada penelitian ini digunakan komputer portable atau notebook dengan spesifikasi CPU Intel® Core i5 2430M @2.40 GHz; 16 GB RAM; VGA Card Nvidia GeForce GT540M 2GB; dan 64-bit
Windows Operating System.
Analisis berupa analisis 3 dimensi terhadap aliran fluida, kelembaban dan termal pada kondisi tetap (3-dimensional steady state analysis). Asumsi yang digunakan pada simulasi adalah sebagai berikut:
1. Kondisi bangunan dalam keadaan kosong. 2. Udara bergerak dalam keadaan steady.
3. Udara tidak terkompresi.
6
7. Suhu efektif pada plafon tidak diperhitungkan karena bukan zona pakai ruangan
Simulasi terbagi menjadi 2, yaitu simulasi awal untuk menentukan besarnya nilai error dan simulasi modifikasi. Simulasi dilakukan pada setiap jam pengukuran yaitu jam 10.00-14.00 yang diasumsikan sebagai waktu yang tidak nyaman di dalam ruangan. Dalam penelitian ini, dilakukan modifikasi yang dilakukan adalah aplikasi atap hijau berupa tanah dengan ketebalan 50 cm dan tanaman sambiloto dengan ketinggian 75 cm yang diasumsikan menutupi atap sesuai dengan luasan atap beton dibawahnya.
5. Prosedur Analisis Data
Melakukan perbandingan hasil simulasi kenyamanan termal model Gedung Kuliah B1 keadaan standar dengan model Gedung Kuliah B1 beratap hijau dan Gedung Kuliah B1 yang dimodifikasi sebagai saran penggunaan. Seluruh hasil simulasi juga dibandingkan dengan literatur, apabila tidak sesuai dengan literatur maka dilakukan simulasi ulang pada keadaan modifikasi dengan mengatur ulang
setting pada Solidworks.
Literatur untuk pembanding diacu dari teori Humphpreys dan Nicol, Lipsmeier (1994) yang menyatakan batas kenyamanan sebagai suhu efektif (TE) seperti yang disajikan pada Tabel 1 di bawah ini. Kenyamanan berbeda sesuai dengan letak geografis dan suku bangsa pada lokasi tersebut.
Tabel 1. Tingkat kenyamanan berdasarkan letak geografis dan suku bangsa
Pengarang Tempat Kelompok
Manusia
Suhu efektif pada penelitian didapatkan dengan pengolahan data simulasi pada program Munters HDPsyChart dan nomogram suhu efektif Lipsmeier.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penggambaran Geometri Gedung Kuliah B1
Geometri bangunan yang dibuat pada program Solidworks 2012 merupakan ukuran Gedung Kuliah B1 sebenarnya sesuai dengan yang terdapat pada peta
Class Room Type B1 dalam dokumen peta As Built Drawing of Architectural Works for Package A1 Additional Construction Works for Building of Faculty of Agriculture.
7
bangunan mengarah pada sumbu x dan y. Tampak model Gedung Kuliah B1 secara lengkap dapat dilihat pada Lampiran 1. Adapun denah Gedung Kuliah B1 dan geometrinya dapat dilihat pada Gambar 4 di bawah ini.
Gambar 4. Denah Gedung Kuliah B1 Kondisi Termal Awal Gedung Kuliah B1
Kondisi lingkungan yang diambil untuk simulasi adalah kondisi terburuk atau paling panas yang didapatkan pada pengukuran ke 3 (24 Mei 2013) yang dapat dilihat pada Lampiran 4.
Pada Tabel 2 di bawah ini disajikan contoh data pengukuran ke 3 pada jam 13.00.
8
Titik h (m) T (°C) RH (%) v (m/s) TE (°C) BB BK
Plafon 2 2.9 - - - 0.0
Plafon 3 3.3 - - - 0.0
Rata-rata 26.5 29.7 78.3 0.0 27.7
Jam 13.00 merupakan keadaan terpanas pada saat pengukuran. Dari data pada Tabel 2 di atas dapat dilihat bahwa kondisi ruangan hasil pengukuran pada jam 13.00 telah melewati ambang batas nyaman TE zona Indonesia menurut teori Humphpreys dan Nicol. Rata-rata TE yang didapat 27.7°C > batas atas TE zona nyaman, yaitu 26°C.
Kecepatan aliran udara pada setiap titik dan ketinggian pengukuran dalam ruang menunjukan nilai 0 m/s. Nilai RH yang didapat cukup besar, yaitu berkisar 73-86%. Nilai nol pada pengukuran kecepatan angin tidak berarti bahwa tidak ada aliran udara sama sekali. Nilai ini dikarenakan aliran udara yang terus berubah setiap detiknya dan kecepatan udara tersebut berada di luar jangkaun sensitifitas anemometer yang peneliti gunakan.
Jika mengacu pada Satwiko (2008), sebagai pedoman kasar, kenyamanan termal untuk daerah tropis lembab dapat dicapai dengan batas 24°C < T < 26°C, 40% < RH < 60%, dan apabila T > 26°C dibutuhkan angin dengan batas 0.6 m/s < 1.5 m/s, maka keadaan ruang pada jam 13.00 tersebut juga tidak memenuhi syarat kenyamanan termal.
Simulasi Keadaan Termal Awal Gedung Kuliah B1 Penentuan Boundary Conditions
Boundary conditions merupakan tahapan terakhir yang diatur sesuai dengan celah dalam ruangan yang mungkin dilalui oleh udara sebagai masukan atau keluaran seperti jendela. Kemungkinan adanya perbedaan suhu pada atap dan dinding bagian luar karena perbedaan pengaruh radiasi matahari juga diatur dalam
boundary conditions seperti disajikan pada Gambar 5. Adapun boundary condition yang diatur diantaranya adalah inlet atau tempat masuk udara dan outlet
9
Gambar 5. Boundary conditions
Hasil Simulasi Keadaan Termal Awal dan Validasi Data
Hasil simulasi keadaan existing (tanpa atap hijau) Gedung Kuliah B1 disajikan secara lengkap pada Lampiran 5. Contoh hasil simulasi CFD keadaan standar Gedung Kuliah B1 disajikan pada Tabel 3 di bawah ini.
Tabel 3. Contoh data hasil simulasi keadaan awal Gedung Kuliah B1 jam 13.00 Titik
Rata-rata 26.5 29.7 26.8 30.0 78.3 78.4 0.018 27.7 27.9
Suhu bola kering tertinggi hasil simulasi (T’ BK) didapati pada bagian belakang (titik 1) ketinggian pengukuran 1.5 m yaitu sebesar 30.1ºC. Suhu tersebut memiliki selisih 0.1°C dari hasil pengukuran yang sebesar 30°C dengan
error 0.4%. RH simulasi (RH’) pada titik tersebut didapatkan sebesar 77.6%, lebih besar dari pengukuran yang bernilai 76.2% dengan error 1.8%.
Suhu plafon yang didapatkan sesuai dengan perkiraan yaitu lebih tinggi daripada suhu di bagian bawah kelas dengan nilai terkecil 30.1735ºC pada plafon bagian tengah. Pada plafon tidak dicari nilai error karena parameter lingkungan pada plafon tidak diukur langsung melainkan hanya hasil simulasi.
10
BB, BK, dan RH secara berurutan adalah 1.1%, 1.7%, dan 3.8%. Karena rata-rata nilai error yang relatif kecil maka tidak diperlukan pengulangan simulasi keadaan existing.
Dari data yang disajikan pada Tabel 3 di atas dapat dilihat juga bahwa nilai temeperatur efektif dari data hasil simulasi (TE’) sebesar 28°C. Nilai tersebut berada di luar zona nyaman. Menurut Lipsmeier, batas kenyamanan manusia untuk daerah khatulistiwa adalah 19°C TE (batas bawah) - 26°C TE (batas atas). Pada suhu 26°C umumnya manusia pada daerah tersebut sudah berkeringat (Idealistina, 1991).
Nilai suhu efektif titik 2 ketinggian 1 m dari seluruh hasil simulasi keadaan awal disajikan pada Tabel 4 di bawah ini.
Tabel 4. Suhu efektif titk 2 ketinggian 1 m simulasi awal
Dari data pada Tabel 4 di atas dapat dilihat bahwa secara keseluruhan pada titik 2 ketinggian 1 m, kondisi suhu efektif Gedung Kuliah B1 berada di luar ambang batas nyaman daerah Indonesia, yaitu 20oC-26oC TE menurut teori Humphpreys dan Nicol, Lipsmeier (1994). Hampir seluruhnya bernilai > 26°C TE. Hanya jam 10 yang berada pada zona nyaman menurut suhu efektif yaitu 26°C TE.
Modifikasi Gedung Kuliah B1 dengan Atap Hijau
Modifikasi awal yang dilakukan pada model Gedung Kuliah B1 dalam upaya mendapatkan zona nyaman pada penelitian ini adalah menambahkan atap hijau tanaman sambiloto. Penampakan model bangunan dengan atap hijau dapat dilihat pada Gambar 6 berikut ini.
11
Gambar 6. Tampak isometri model Gedung Kuliah B1 dengan atap hijau Atap hijau tersusun dengan lapisan pertama di atas beton adalah tanah mineral dengan ketebalan 50 cm menyesuaikan dengan zona perakaran tanaman sambiloto. Lapisan kedua berupa tanaman sambiloto dengan asumsi ketinggiannya mencapai 75 cm dan ditanam secara rapatt menutupi lapisan tanah dibawahnya. Lapisan kedap air di bawah lapisan tanah diabaikan dalam simulasi karena sangat tipis dan dianggap memiliki pengaruh yang sangat kecil pada perubahan suhu di dalam ruangan.
Proses pendefinisian material ditambahkan secara manual karena tidak terdapat pada engineering database Solidworks 2012. Adapun data material yang disadur dari Rahayoe (2008) tersebut dapat dilihat pada Tabel 5 berikut ini.
Tabel 5. Engineering database tanah mineral dan tanaman sambiloto
Material ρ Cp k
kg/m3 J.kg-1.K-1 W.m-1.K-1
Tanah Mineral 2.65x103 0.87 2.5
Sambiloto 691.73 3375 0.483
Hasil Simulasi Termal dengan Atap Hijau
Perubahan termal yang terjadi pada model Gedung Kuliah B1 dengan atap hijau antara lain adalah penurunan suhu dan RH, sedangkan pada aliran udara tidak terjadi perubahan berarti karena tidak adanya perubahan pada inlet dan
12
Tabel 6. Suhu dan RH titik 2 ketinggian 1 m ruangan sebelum dan setelah aplikasi atap hijau
hasil simulasi atap hijau (T’’) baik BB maupun BK mengalami penurunan. Pada
keadaan terburuk, yaitu jam 13.00, suhu BK mencapai 30.0°C dan BB 26.9°C dengan RH’ 78.8%. Dengan aplikasi atap hijau suhu BK yang didapat turun hingga 26.7°C dan suhu BB 23.6°C dengan nilai RH’’ turun menjadi 77.6%. Menurut Bruce (1980), terjadinya penurunan tersebut karena tanaman memiliki kemampuan untuk menyerap radiasi.
Perubahan Suhu Efektif
Adapun perubahan suhu efektif pada titik 2 ketinggian 1 m pada setiap jam akibat dari aplikasi atap hijau tanaman sambiloto disajikan pada Tabel 7 di bawah ini.
Tabel 7. Penurunan TE titik 2 ketinggian 1 m Gedung Kuliah B1 beratap hijau Jam TE' TE'' Penurunan
Penurunan suhu efektif terkecil terjadi pada jam 14.00, yaitu sebesar 2.8°C, turun dari 27.2°C menjadi 24.6°C. Penurunan suhu efektif terbesar terjadi pada jam 12.00, yaitu sebesar 3.8°C, turun dari 28.0°C menjadi 25.0°C. Adapun keadaan terburuk, yaitu jam 13.00, mengalami penurunan suhu efektif sebesar 3.0 °C, turun dari 28.0°C menjadi 25.0°C. Jika ditinjau dari teori Humphpreys dan Nicol, Lipsmeier (1994) yang menyatakan batas kenyamanan berkisar antara 20°C - 26°C TE pada daerah Indonesia maka dapat dikatakan bahwa aplikasi atap hijau mampu menciptakan zona nyaman pada ruang Gedung Kuliah B1 tanpa penggunaan Air Conditioner.
13
Tabel 8. Contoh perubahan keadaan termal dengan atap hijau jam 13.00 Titik
Rata-rata 26.8 30.0 23.6 26.8 78.4 76.8 28.0 25.0
Pada tabel di atas dapat dilihat bahwa terjadi penurunan suhu baik BK maupun BB dan RH pada setiap titik. Penurunan suhu BB dan BK relatif sama rata, yaitu sekitar 3°C – 3.5°C. Penurunan RH yang terjadi tidak terlalu signifikan pada zona pakai ruangan (bukan plafon). Nilai RH turun namun tetap bernilai > 75%. Sebagai contoh pada titik 1 ketinggian 1.5 m, T’ BB 26.8°C dan T’ BK 30.1°C dengan RH’ 77.6%, pada simulasi dengan atap hijau suhu turun menjadi 23.6°C BB dan 26.9°C BK. Sementara itu kelembaban relatif udara dengan atap hijau (RH’’) tidak mengalami penurunan yang signifikan. RH’’ yang didapatkan sebesar 76.2% masih berada di atas batas atas zona nyaman. Menurut Satwiko (2008), sebagai pedoman kasar, kenyamanan termal untuk daerah tropis lembab dapat dicapai dengan batas 40% < RH < 60%. Meski temperatur efektif telah memenuhi syarat kenyamanan termal, yaitu 25°C, namun kelembaban dirasa masih terlalu tinggi.
14
Gambar 7. Denah pola sebaran suhu dengan atap hijau pada ketinggian 1 m
15
Gambar 9. Denah pola sebaran RH Gedung Kuliah B1 beratap hijau pada ketinggian 1 m
Gambar 10. Tampak samping pola sebaran RH Gedung Kuliah B1 beratap hijau Saran Optimalisasi Kenyamanan Termal dengan Modifikasi
Karena tingkat kelembaban yang dirasa masih terlalu tinggi, maka dilakukan modifikasi pada bagian pintu masuk bangunan. Pada modifikasi model Gedung Kuliah B1 ini, kedua pasang pintu masuk di bagian depan bangunan dibuka sebagai upaya adanya tambahan jalur sirkulasi udara. Data lengkap hasil simulasi Gedung Kuliah B1 atap hijau dengan modifikasi dapat dilihat pada Lampiran 7.
16
Gambar 11. Tampak depan Gedung Kuliah B1 modifikasi pintu Nilai Suhu Efektif Turun
Perubahan nilai suhu efektif titik 2 ketinggian 1 m disajikan pada Tabel 9 dan grafik pada Gambar 12 berikut ini.
Tabel 9. Perubahan suhu efektif titik 2 ketinggian 1 m Gedung Kuliah B1 modifikasi
Jam TE'' TE''' Penurunan (°C) (°C) TE (°C)
10 22.6 20.9 1.5
11 23.1 21.3 1.8
12 24.1 22.1 2.0
13 25.0 23.1 1.9
14 24.6 22.4 2.2
Gambar 12. Grafik perbandingan TE awal, atap hijau, dan modifikasi titik 2 ketinggian 1 m
Suhu efektif titik 2 ketinggian 1 m hasil modifikasi (TE’’’) mengalami
penurunan dibandingankan dengan hanya menggunakan atap hijau saja (TE’’).
17
Penurunan terkecil terjadi pada jam 10.00, yaitu dari 22.6°C menjadi 20.9°C dengan besar penurunan 1.5°C.
Perubahan suhu efektif yang terjadi diakibatkan karena penurunan suhu bola basah secara keseluruhan dan perubahan yang signifikan pada kelembaban udara. Pada tabel 10 berikut ini merupakan contoh data perubahan keadaan ruang Gedung Kuliah B1 pada jam 13.00.
Tabel 10. Contoh perubahan suhu ruangan Gedung Kuliah B1 jam 13.00 Titik
Rata-rata 23.6 26.8 19.0 26.8 76.8 47.9 0.013 0.012 25.0 23.1
Dari data jam 13.00 di atas dapat dilihat bahwa tidak terjadi perubahan suhu bola kering yang cukup berpengaruh sehingga dapat diasumsikan pola sebaran suhu model Gedung Kuliah B1 modifikasi ini sama dengan model Gedung Kuliah B1 menggunakan atap hijau saja meskipun TE berubah cukup besar. Penurunan suhu bola kering hanya terjadi pada titik 1 ketinggian 1m dan 1.5m, yaitu sebesar 0.1°C. TE’’’ yang didapat berada pada kisaran 23°C -23.1°C.
Nilai Kelembaban Relatif Udara Turun
Nilai RH ruangan Gedung Kuliah B1 hasil modifikasi berubah dan masuk dalam kategori zona nyaman yang berkisar antara 40%-60%. Nilai perubahan RH titik 2 ketinggian 1 m pada setiap jam pengukuran disajikan pada Tabel 11. Tabel 11. Penurunan RH Gedung Kuliah B1modifikasi pada titik 2 ketinggian 1 m
18
Grafik perbandingan keadaan RH awal, atap hijau, dan modifikasi pada titik 2 ketinggian 1 m dapat dilihat pada Gambar 13 berikut ini.
Gambar 13. Grafik perbandingan RH awal, atap hijau, dan modifikasi titik 2 ketinggian 1 m
Perubahan RH seperti pada Tabel 11 terjadi secara signifikan. Pada keadaan terburuk pengukuran, yaitu jam 13.00, RH dengan atap hijau sebesar 77.6%, kemudian dengan tambahan modifikasi turun sebesar 29.0% menjadi 48.6%. Penurunan RH terbesar terjadi pada jam 12.00, yaitu dari 82.0% turun 33.5% menjadi 48.5%. Penurunan RH terkecil terjadi pada jam 11.00, yaitu dari 75.3% turun 27.3% menjadi 48.0%.
Contoh perubahan RH yang terjadi pada jam 13.00 dapat dilihat pada Tabel 12 berikut ini
19
Titik h (m) RH'' RH''' ∆RH (%) (%) (%)
Plafon 1 2.5 75.1 46.6 28.4
Plafon 2 2.9 75.9 48.1 27.8
Plafon 3 3.3 75.3 46.5 28.8
Rata-rata 76.8 47.9 28.9
Adanya perubahan RH dipengaruhi oleh perubahan aliran udara. Pembukaan kedua pasang pintu masuk menambah jalur sirkulasi udara sehingga aliran udara menjadi lebih lancar. Lancar aliran udara mengakibatkan nilai RH yang tidak terlampau tinggi. Pola sebaran RH dan aliran udara ruang Gedung Kuliah B1 atap hijau dengan modifikasi pada bukaan pintu masuk dapat dilihat Gambar 14 sampai Gambar 19 berikut ini.
Gambar 14. Denah pola sebaran RH modifikasi pada ketinggian 1 m
20
Dari Gambar 16 sampai 19 dapat dilihat bahwa ada perubahan pola sirkulasi udara sebelum dan sesudah Gedung Kuliah B1 dengan atap hijau dimodifikasi. Secara kasat mata, sirkulasi udara dalam ruang Gedung Kuliah B1 setelah modifikasi lebih merata daripada sebelum modifikasi sehingga memiliki kelembaban udara relatif yang lebih baik.
Gambar 16. Denah pola sirkulasi udara awal ketinggian 1 m
Gambar 17. Denah pola sirkulasi udara modifikasi ketinggian 1 m
Gambar 18. Tampak isometri pola sirkulasi udara awal
21
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Berdasarkan hasil simulasi Gedung Kuliah B1 keadaan standar dan modifikasi dapat disimpulkan bahwa:
1. Hasil pengukuran ruangan Gedung Kuliah pada jam 10.00 hingga 14.00 tidak memenuhi kondisi kenyamanan termal. Suhu efektif yang didapat > 26°C TE. Adapun nilai TE keadaan awal dari jam 10.00 hingga 14.00 pada titik 2 ketinggian 1 m secara berurutan adalah 26.3°C, 27.3°C, 27.9°C, 28.3°C, dan 27.3°C.
2. Kenyamanan termal Gedung Kuliah B1 dengan atap hijau tanaman sambiloto lebih baik dari pada kondisi Gedung Kuliah B1 keadaan existing. Aplikasi atap hijau mampu menciptakan zona nyaman di dalam ruang Gedung Kuliah B1. Suhu efektif (TE) pada keadaan terburuk, yaitu jam 13.00, pada titik 2 ketinggian 1 m turun 3°C dari kondisi awal 28°C menjadi 25°C.
3. Usulan modifikasi yang dilakukan, yaitu membuka kedua pasang pintu masuk di bagian depan Gedung Kuliah B1 pada model yang telah menggunakan atap hijau memberikan efek positif. Suhu efektif turun dibandingkan tanpa membuka pintu. TE yang didapatkan pada keadaan terburuk, yaitu jam 13.00, pada titik 2 ketinggian 1 m turun 1,9°C dari kondisi menggunakan atap hijau saja 25°C menjadi 23.1°C. (Aplikasi atap hijau daun sambiloto dan pembukaan kedua pasang pintu masuk dapat menjadi solusi penghematan penggunaan energi karena pemakaian air conditioner dapat dikurangi)
Saran
1. Pintu masuk Gedung Kuliah B1 selalu dibuka keduanya pada saat pemakaian agar sirkulasi udara lebih lancar dan menghindari udara yang terlalu lembab. 2. Atap hijau dapat diaplikasikan pada seluruh bangunan dengan geometri setipe
dengan Gedung Kuliah B1.
3. Jendela sebaiknya selalu dibuka untuk menghindari kelembaban udara yang berlebih.
4. Aplikasi atap hijau sebaiknya diberlakukan sebagai upaya penghematan energi jangka panjang dari pemakaian AC dan mengurangi pemakaian AC (air conditioner) pada ruang sebelum jam 10.00 untuk menghemat energi.
22
DAFTAR PUSTAKA
Arvi. 2007. Analisis Hubungan Penyinaran Matahari dan Suhu Udara dengan Kelembaban Udara di Tangerang. Jurnal. Tangerang.
Avissar, R. and Yazhaq. 1982. Verification Study of Numerical Greenhouse Microclimate Model. Trans. ASAE: 1711-1920
Bruce, Mary Jo. 1980. Green Roofing : A Rooftop Vineyard [internet]. [diacu 2013 April 3]. Tersedia dari: http://www.motherearthnews.com/green– homes / green - roofing -/
Kurnia, Redny. 2010. Identifikasi Kenyamanan Termal Bangunan Ruang Kuliah Kampus IPB Baranangsiang dan Darmaga Bogor. Jurnal. Geofisika dan Meteorologi, Institut Pertanian Bogor.
Lipsmeier, Georg. 1994. Tropenbau Building in the Tropics, Bangunan Tropis, Jakarta, Erlangga.
Satwiko, Prasasto. 2008. Fisika Bangunan, Yogyakarta, PenerbitAndi.
Scotia, Nova. 2011. Nova Scotia Green Roof Manual, Ecology Action Centre, Canada.
Soegijanto. 1999. Bangunan di Indonesia dengan Iklim Tropis Lembab Ditinjau dari Aspek Fisika Bangunan, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.
Talarosha, Basaria. 2005. Menciptakan Kenyamanan Termal dalam Bangunan. Jurnal. Sistem Teknik Industri, Universitas Sumatera Utara.
Tjasyono, Bayong HK. 2004. Klimatologi, Bandung, Penerbit ITB.
Versteeg H K. Malalasekera W. 1995. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite.
Wooley, Tom. Green Building Handbook Vol.1, Manchester, ECRA. 1997. Hal.6 Yani, Ahmad. 2007. Analisis dan Simulasi Distribusi Suhu Udara pada Kandang
Sapi Perah Menggunakan ComputationalFluid Dynamics (CFD). Tesis. Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
26
27
31
32
33
34
36
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Bogor, Jawa Barat pada tanggal 29 Agustus 1991 dari pasangan suami istri Anang Sudjana dan Eli. Penulis merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara, adik dari Maulana Fajar dan Maulida R.M. Pada tahun 2009 lulus dari SMA Negeri 99 Jakarta dan diterima di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB melalui jalur USMI (Undangan Seleksi Masuk IPB).
