Analysis Of Thermal Comfort Using Modern Building Material In Baduy Dalam House With Computational Fluid Dynamic

(1)

ANALISIS KENYAMANAN TERMAL PENGGUNAAN MATERIAL

MODERN PADA RUMAH BADUY DALAM DENGAN TEKNIK

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC

SKRIPSI

RENDY PRAYOGI

F44080013

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

ANALYSIS OF THERMAL COMFORT USING MODERN BUILDING MATERIAL

IN BADUY DALAM HOUSE WITH COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC

Rendy Prayogi1, Meiske Widyarti2

1

Department of Civil and Environmental Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Darmaga Campus, PO BOX 220, Bogor, West Java, Indonesia.

ABSTRACT

Eco-house is the applying of an ecological design on building. In Indonesia, Baduy Dalam community are examples of people who still have and perform local knowledge in their lifestyle including implementing ecological design in their homes. In this research, has been performed an analysis of thermal comfort in Baduy Dalam homes. The analysis had been performed by using three combinations of roof, wall and floor materials in Baduy Dalam’s house which are ceramic- brick- ceramic; concrete-brick- ceramic and asbestos cement-brick-ceramic. The analysis performed by a simulation techniques using a computer program Computational Fluid Dynamic (Solidworks 2011) to get a distribution model of air temperature, air movement, and relative humidity(RH) in the building. The input of environmental data such as temperature, RH, solar radiation, and wind speed used a 13 November 2010’s datas. The simulations carried out at 11:00, 13:00, 15:00, 19:00, 21:00, and 23:00. The simulation results of the most unsatisfied thermal comfort conditions using a combination 1 materials are; temperature 55.52°C, RH 20.71%, air flow 0.064 m/s, combination 2 are temperature 59.58°C, RH 17.10%, air flow 0.085 m/s, and combination 3 are; temperature 50.56°C, RH 24.14%, and air flow 0.065 m/s. The simulation results show that the worst conditions are combination 2 (concrete roof, brick walls and cement floor). The highest temperature is 59.58 ° C at 13:00. Modifications is made to the worst house condition by adding vents on the Baduy Dalam house and the results are temperature was -22.07°C lower at Imah and -22.24°C lower at Tepas.

(3)

Rendy Prayogi. F44080013. 2012. Analisis Kenyamanan Termal Penggunaan Material Modern

Pada Rumah Baduy Dalam Dengan Teknik Computational Fluid Dynamic. Di bawah bimbingan

Meiske Widyarti.

RINGKASAN

Penerapan desain ekologis pada hunian bagi manusia disebut dengan Ecological House (

Eco-house). Di Indonesia rumah masyarakat Baduy Dalam merupakan satu contoh masyarakat yang

memiliki kearifan lokal dan desain ekologis. Desain rumah Baduy Dalam dengan material yang digunakan menjamin terjadinya pergerakan udara agar pertukaran udara bersih terus berlangsung. Hal ini juga berdampak pada terjaganya suhu ruangan. Pada penelitian ini dilakukan analisis kenyamanan termal rumah Baduy Dalam yang menggunakan material bangunan modern. Penelitian dilakukan menggunakan teknik Computational Fluid Dynamics (CFD) yang memodelkan pola pergerakan dan distribusi suhu udara di dalam bangunan. Simulasi pola aliran udara, RH, dan distribusi suhu udara dibuat menggunakan program Solidworks 2011 dengan data masukan berupa data kondisi lingkungan seperti suhu, radiasi matahari, kelembaban relatif, dan kecepatan angin pada tanggal 13 November 2009. Simulasi dilakukan pada denah rumah Baduy Dalam dengan menggunakan 3 kombinasi material modern yaitu kombinasi 1 berupa atap keramik, dinding bata, dan lantai semen, kombinasi 2 berupa atap beton, dinding bata, dan lantai semen, serta kombinasi 3 berupa atap asbes, dinding bata, dan lantai semen.

Simulasi di dalam rumah menggunakan kombinasi material yang berbeda mendapatkan perbedaan pada kondisi pengudaraannya antara lain suhu udara, kecepatan angin, dan kelembaban relatif. Simulasi dilakukan pada saat kondisi udara terpanas yaitu jam 11:00, 13:00, 15:00 serta pada saat malam hari yaitu jam 19:00, 21:00, dan 23:00. Pada penelitian ini nilai pengudaraan hasil simulasi diambil pada 3 titik berbeda di dalam rumah yaitu di dekat atap, di ruang Imah dan Tepas

dengan jarak 1 m dari lantai.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa kombinasi material 1, 2, dan 3 memiliki kondisi nilai pengudaraan yang tinggi pada siang hari. Hasil simulasi suhu, RH, dan kecepatan udara tertinggi ketiga kombinasi material adalah suhu 52°C, RH 20.71%, kecepatan aliran 0.064 m/s untuk kombinasi 1, kombinasi 2 diperoleh suhu 59.58°C, RH 17.10%, kecepatan aliran 0.085 m/s, dan 50.56°C, RH 24.14%, kecepatan aliran 0.065 m/s untuk kombinasi 3, sedangkan pada malam hari suhu udara berkisar antara 23°C-24°C, RH 90%-95%, dan kecepatan aliran udara 0.004 m/s - 0.02 m/s untuk semua kombinasi material. Kondisi pengudaraan tertinggi di dalam rumah diperoleh pada material kombinasi 2. Suhu tertinggi diperoleh pada jam 13:00 sebesar 59.58°C dengan RH 17.10%.

(4)

ANALISIS KENYAMANAN TERMAL PENGGUNAAN MATERIAL

MODERN PADA RUMAH BADUY DALAM DENGAN TEKNIK

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

SARJANA TEKNIK

Pada Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, Fakultas Teknologi Pertanian,

Institut Pertanian Bogor

Oleh:

RENDY PRAYOGI F44080013

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

(5)

Judul Skripsi : Analisis Kenyamanan Termal Penggunaan Material Modern Pada Rumah Baduy

Dalam Dengan Teknik Computational Fluid Dynamic

Nama : Rendy Prayogi

NIM : F44080013

Menyetujui,

Pembimbing Akademik

Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng NIP. 19520209 198903 2 001

Mengetahui:

Ketua Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan

Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, M.Sc NIP. 19561025 198003 1 003

(6)

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Analisis Kenyamanan Termal Penggunaan Material Modern Pada Rumah Baduy Dalam Dengan

Teknik Computational Fluid Dynamic adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen

Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. 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.

Bogor, November 2012 Yang membuat pernyataan

(7)

© Hak cipta milik Rendy Prayogi, tahun 2012 Hak cipta dilindungi

Dilarang mengutip dan meperbanyak tanpa izin tertulis dari

(8)

BIODATA PENULIS

Penulis dilahirkan di Bandar Lampung, 19 Oktober 1990 dari pasangan Bapak Mat Rohim dan Ibu Martini. Penulis melaksanakan pendidikannya dari SD Negeri 1 Sukarame Bandar Lampung dilanjutkan ke SMP Negeri 4 Prabumulih dan kemudian ke SMA Negeri 2 Prabumulih. Penulis diterima di IPB melalui jalur USMI tahun 2008 dan masuk Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB angkatan 45 dibagian Teknik Struktur dan Infrastruktur. Selama menjadi mahasiswa IPB, penulis telah mengikuti organisasi kampus serta berbagai kepanitian untuk menambah pengalaman, baik yang menunjang pendidikan dan keprofesian maupun yang memperkaya pengalaman terutama softskill yang tidak didapatkan di bangku perkuliahan. Diantaranya adalah Staf Depertemen Keprofesian HIMATESIL 2010, Staf Departemen Pengembangan Sumber Daya SIL HIMATESIL 2011. Dan beberapa kepanitian, diantaranya Panitia Pemilihan Raya KM IPB 2008 dan Panitia SIL EXPO 2011. Penulis juga berhasil memperoleh prestasi selama menjadi mahasiswa IPB baik akademik dan non akademik, diantaranya penerima beasiswa Coca-Cola Foundation tahun 2012, Peserta Lomba Eco-houseDesign Competition II di UGM 2011. Penulis melaksanakan Praktik Lapang di CV. Gupeta Wira Utama dan berhasil menyelesaikan laporan praktik lapangannya dengan judul “Mempelajari Manajemen Proyek CV.

Gupeta Wira Utama Pada Proyek Pelebaran Jalan Bukit Kemuning-Padang Tambak” dan pada

tahap terakhir strata 1, penulis dapat menyelesaikan tugas akhirnya dengan judul “Analisis Kenyamanan Termal Penggunaan Material Modern Pada Rumah Baduy Dalam Dengan

Teknik Computational Fluid Dynamic” untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di bawah

(9)

iii

KATA PENGANTAR

Alhamdulilahirobbil’alamin, segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan kenikmatan

iman sehingga bisa mengotimalkan potensi-potensi yang telah Allah berikan. Skripsi yang berjudul Analisis Kenyamanan Termal Penggunaan Material Modern Pada Rumah Baduy Dalam Dengan Teknik Computational Fluid Dynamic dapat diselesaikan karena nikmat Allah berupa akal untuk berfikir, ilmu yang bermanfaat, serta hati yang tergerak untuk melakukan hal yang bermanfaat. Sholawat serta salam saya tujukan kepada Nabi Muhammad SAW, keluarganya, sahabat-sahabatnya, hingga umatnya hingga akhir zaman, dan semoga kita bisa mengikuti sunah beliau sehingga selamat dunia akhirat.

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini dapat terselesaikan karena dukungan dan doa dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Orang tua tercinta, Bapak Mat Rohim dan Ibu Martini, Ibu Ria Sukma serta adik-adik saya Riyan Prayoga, Reza Agustian, M. Yuzril Rori, dan M. Mahardika Putra Rori. Semoga Allah membalas kebaikan serta doa-doa kalian.

2. Ibu Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng selaku dosen pembimbing tugas akhir. Terima kasih atas kesabaran serta ilmu yang diberikan, semoga Allah mencatatnya sebagai amalan kebaikan. 3. Bapak Dr. Satyanto K Saptomo, S.TP, M.Si dan Sutoyo, S.TP, M.Si selaku dosen penguji

pada ujian skripsi. Semoga saya bisa segera memperbaiki tulisan ini dari masukan yang bapak berikan.

4. Teman seperjuangan satu bimbingan Oki, Bayu, dan Agus. Terima kasih kerjasama dan dukungannya.

5. Sahabat-sahabat satu perjuangan SIL’45. Semoga kita tetap istiqomah menggapai ridho Ilahi. Tetap berjuang dan terus berkarya. SIL WOW

6. Teman-teman IKAMUSI dan KIB. Terima kasih.

7. Seluruh staf Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan IPB yang telah banyak membantu baik selama perkuliahan maupun selama penelitian.

Penulis meminta maaf karena menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih terdapat banyak kekurangan dan kelemahan dalam berbagai hal karena keterbatasan penulis. Penulis berharap semoga tugas akhir ini bermanfaat.

Bogor, November 2012

(10)

iv

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... x

I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang... 1

1. 2 Tujuan ... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3

2.1 Rumah Masyarakat Baduy ... 3

2.2 Eco-house ... 3

2.3 Kenyamanan Termal Dalam Ruangan ... 3

2.4 Suhu Udara ... 4

2.5 Aliran Udara ... 4

2.6 Radiasi Matahari ... 6

2.7 Perpindahan Panas ... 6

2.8 Ventilasi ... 7

2.9 Kelembaban Relatif Udara ... 8

2.10 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 8

2.11 Solidworks 2011 ... 11

III. METODOLOGI ... 12

3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian ... 12

3.2 Alat Dan Bahan ... 12

3.3 Tahapan Penelitian ... 12

3.3.1. Penggambaran geometri rumah Baduy Dalam ... 13

(11)

v

3.3.3. Material Bangunan ... 13

3.3.4 Simulasi CFD ... 13

3.3.5 Hasil Simulasi ... 19

3.3.6 Membandingkan Hasil Simulasi ... 19

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 20

4.1 Iklim Lingkungan disekitar miniatur Rumah Baduy Dalam ... 20

4.2 Penggambaran Geometri ... 20

4.3 Hasil Simulasi... 21

4.3.1 Hasil simulasi kombinasi 1... 21

4.3.2 Hasil Simulasi Kombinasi 2 ... 29

4.3.3 Hasil Simulasi Kombinasi 3 ... 37

4.4 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Simulasi Material Tradisional ... 44

4.5 Modifikasi dan Simulasi Rumah Baduy Dalam Material Kombinasi 2 ... 46

V. PENUTUP ... 49

5.1 KESIMPULAN ... 49

5.2 SARAN ... 49

DAFTAR PUSTAKA ... 50

(12)

vi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Arah aliran udara yang melewati bangunan (Boutet, 1987) ... 5

Gambar 2. Gerakan udara pada beberapa bentuk bangunan ... 5

Gambar 3. Diagram alir penelitian... 12

Gambar 4. Tipe analisis dan input nilai radiasi untuk kasus kombinasi 1. ... 15

Gambar 5. Tipe analisis dan input fluida untuk kasus kombinasi 1. ... 16

Gambar 6. Pengaturan material padat untuk kasus kombinasi 1 ... 16

Gambar 7. Kondisi dinding pada kasus kombinasi 1 ... 17

Gambar 8. Kondisi lingkungan untuk kasus kombinasi 1 ... 17

Gambar 9. Titik-titik pengambilan data iklim hasil simulasi ... 19

Gambar 10. Tampak piktorial domain dan geometri rumah Baduy Dalam ... 21

Gambar 11. Tampak depan distribusi suhu udara jam 11:00 ... 21

Gambar 12. Tampak depan kontur dan vektor kecepatan aliran udara jam 11:00 ... 21

Gambar 13. Tampak atas kontur dan vektor kecepatan aliran udara jam 11:00 ... 22

Gambar 14. Kontur kelembaban relatif material kombinasi 1 jam 11:00 ... 22

Gambar 16. Tampak depan vektor kecepatan aliran udara jam 13:00... 23

Gambar 17. Tampak atas vektor kecepatan aliran udara jam 13:00 ... 23

Gambar 28. Vektor kecepatan aliran udara jam 21:00 ... 27

Gambar 31. Vektor kecepatan aliran udara jam 23:00 ... 28

Gambar 33. Grafik simulasi suhu dan RH material kombinasi 1 ... 29

(13)

vii

Gambar 35. Distribusi suhu udara simulasi kombinasi 2 pada jam 11:00 ... 30

Gambar 36. Tampak depan vektor kecepatan aliran udara simulasi kombinasi 2 jam 11:00 ... 30

Gambar 37. Tampak atas vektor kecepatan aliran udara simulasi kombinasi 2 jam 11:00 ... 30

Gambar 38. Kontur kelembaban relatif simulasi kombinasi 2 jam 11:00 ... 30

Gambar 39. Distribusi suhu udara simulasi kombinasi 2 jam 13:00 ... 31

Gambar 47. Vektor kecepatan aliran udara simulasi kombinasi 2 jam 19:00 ... 33

Gambar 55. Grafik simulasi suhu dan RH material kombinasi 2 ... 36

Gambar 56. Grafik simulasi aliran udara material kombinasi 2 ... 36

Gambar 70. Suhu udara hasil simulasi kombinasi 3 jam 21:00 ... 41

Gambar 72. Kontur kelembaban relatif kombinasi simulasi 3 jam 21:00 ... 42

(14)

viii

Gambar 76. Grafik hasil simulasi suhu dan RH material kombinasi 3... 43

Gambar 77. Grafik hasil simulasi aliran udara material kombinasi 3 ... 43

Gambar 78. Grafik perbandingan suhu udara rumah Baduy Dalam material tradisional dan modern . 44 Gambar 79. Grafik perbandingan aliran udara rumah Baduy Dalam material tradisional dan modern45 Gambar 80. Grafik perbandingan RH antara rumah Baduy Dalam material tradisional dan modern .. 46

Gambar 81. Denah modifikasi rumah Baduy Dalam dengan penambahan ventilasi... 46

Gambar 82. Hasil simulasi distribusi suhu udara rumah modifikasi ... 47

Gambar 83. Hasil simulasi vektor kecepatan udara rumah modifikasi ... 47

Gambar 84. Hasil simulasi RH rumah modifikasi ... 47

Gambar 85. Grafik perbandingan suhu dan RH rumah modifikasi ... 48

(15)

ix

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Hasil penelitian batas-batas kenyamanan dinyatakan dalam temperatur efektif ... 4

Tabel 2. Contoh input kondisi awal dan kondisi batas simulasi pada siang hari... 14

Tabel 3. Data material rumah yang dimasukkan ke Engineering Database Solidworks ... 18

Tabel 4. Koordinat titik pengukuran hasil simulasi kondisi pengudaraan ... 19

Tabel 5. Dimensi ventilasi rumah Baduy Dalam modifikasi ... 19

Tabel 6. Data kondisi lingkungan penelitian sebagai data masukkan simulasi ... 20

Tabel 7. Hasil simulasi iklim mikro rumah Baduy Dalam kombinasi 1 ... 28

Tabel 8. Hasil simulasi kondisi pengudaraan material kombinasi 2 ... 36

Tabel 9. Hasil Simulasi kondisi pengudaraan material kombinasi 3 ... 43

Tabel 10. Hasil simulasi kondisi pengudaraan rumah Baduy Dalam material tradisional ... 44

(16)

x

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Data kondisi iklim lingkungan penelitian tanggal 13 November 2009. ... 52

Lampiran 2. Tampak depan denah rumah Baduy Dalam. ... 53

(17)

1

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Saat ini perkembangan pembangunan begitu pesat, hal ini dapat dilihat dari pembangunan gedung bertingkat yang meningkat jumlahnya dengan pesat di berbagai belahan dunia termasuk di Indonesia. Sangat disayangkan banyaknya pembangunan sekarang ini tanpa disertai dengan pengetahuan mengenai dampaknya terhadap lingkungan.

Penggunaan sumber daya alam yang sedemikian besar karena pola pembangunan dan penggunaan material saat ini dari masyarakat, dapat menyebabkan terjadinya penurunan kualitas lingkungan jika kondisi ini terus berlangsung. Maka dari itu harus dimulai suatu pembangunan yang ekonomis, efisien, dan efektif serta berwawasan lingkungan. Setiap aktifitas manusia harus terintegrasi dengan alam, dimana pembangunan yang dilakukan mendukung kesehatan manusia serta menjaga kelestarian alam. Masyarakat harus mengutamakan gaya hidup yang berdampak rendah terhadap lingkungan, dengan cara antara lain membuat bangunan ekologis, produksi organik, dan penggunaan energi alternatif. Desain bangunan yang harus dilakukan ialah desain ekologis dan mengutamakan kehidupan yang harmoni dengan semua ekosistem yang ada di bumi. Penerapan desain ekologis pada rumah hunian bagi manusia disebut dengan Ecological House (Eco-house).

Eco-house merupakan sistem membangun rumah yang ramah lingkungan dan efisien dalam penggunaan

sumber daya seperti mengurangi biaya operasional dengan menggunakan material yang ada di daerah tertentu dan jumlahnya banyak, kemudian mengurangi penggunaan energi dan air, dan mengelola kualitas udara dalam bangunan agar kesehatan penghuninya terjaga.

Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki berbagai budaya dan adat-istiadat, banyak warisan budaya yang ada di setiap daerah di Indonesia. Salah satunya adalah warisan berupa rumah adat yaitu rumah tinggal bagi masyarakat asli, contohnya Rumah Kesepuhan dari Jawa Barat, Rumah Limas dari Sumatera Selatan, Rumah Kebaya dari Jakarta, Rumah Gadang dari Sumatera Barat dan lain-lain. Selain itu terdapat pula suku-suku di berbagai tempat di Indonesia yang juga memiliki warisan budaya berupa rumah hunian seperti Suku Baduy Dalam. Masyarakat Baduy Dalam merupakan suku asli Indonesia yang sejak berabad-abad silam hidup tanpa bantuan dari manapun. Masyarakat Baduy Dalam dikenal dengan kearifan lokalnya yang mengutamakan konservasi dan gaya hidup terintegrasi dengan alam. Hingga saat ini sebagian masyarakat Baduy Dalam masih tetap mempertahankan adat dan budayanya. Rumah adat tersebut diduga kebanyakan telah memiliki konsep desain ekologis seperti sirkulasi udara di dalam rumah juga material bangunannya dari material alami.

Sebelumnya telah dilakukan penelitian terhadap rumah Baduy Dalam tentang rekonstruksi konsep eco-house Baduy Dalam oleh Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng merupakan salah satu dosen pada Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan, IPB. Hasil penelitian yang berjudul Kajian dan Rekonstruksi Konsep Eco-village dan Eco-house Pada Permukiman Baduy Dalam Berdasarkan

Community Sustainability Assesment dilakukan analisis aliran udara, suhu, dan kelembaban bangunan

rumah Baduy Dalam dengan hasil yang baik dan mendapatkan bahwa rumah Baduy Dalam berdesain ekologis. Pada penelitian ini dilakukan analisis lanjutan tentang kenyamanan termal rumah Baduy Dalam, lalu hasil penelitian ini akan dibandingkan dengan bangunan yang menggunakan material tradisional.

(18)

2 pergerakan dan distribusi suhu udara di dalam bangunan adalah teknik Computational Fluid Dynamics

(CFD). ComputationalFluid Dynamics (CFD) adalah cabang ilmu dinamika fluida yang memberikan nilai efektif untuk simulasi aliran-aliran nyata dengan menggunakan solusi numerik dari persamaan yang terlibat (Sayma, 2009).

1. 2 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Melakukan modifikasi material dinding dan atap pada denah rumah Baduy Dalam.

2. Melakukan analisis dinamika pola aliran udara, suhu, dan kelembaban rumah Baduy Dalam yang menggunakan material modern dengan teknik simulasi CFD.

(19)

3

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Rumah Masyarakat Baduy

Rumah bagi masyarakat Baduy hanya berfungsi sebagai tempat untuk beristirahat pada malam hari atau ketika sakit ataupun saat ada keperluan yang mengharuskan mereka untuk tetap tinggal. Rumah Baduy berupa panggung sederhana dari bahan kayu ringan dan bambu. Rumah pada umumnya berukuran antara 3 m, 4,5 m, 6 m dan 9 m. Besar kecil ukuran rumah tergantung pada kemampuan pemilik dan kesedian lahan (Widyarti, 2011).

Struktur bangunan rumah Baduy adalah sistem rangka yang terbuat dari kayu berupa balok dan tiang persegi empat. Penutup dinding terbuat dari anyaman bambu, yang dibiarkan pada warna dan karakter aslinya. Detail pengakhiran anyaman bambu untuk penutup dinding adalah bambu yang dibelah. Konstruksi bangunan disambung dengan sistem ikatan, tumpuan, pasak, tumpuan berpaut, dan sambungan berkait. Bahan bangunan yang dipergunakan untuk mengikat suatu sambungan adalah ijuk dan bambu. Menurut Permana (2006) struktur penutup lantai menggunakan bambu yang disebut dengan palupuh, sementara itu penutup atap menggunakan rumbia, yang didukung dengan konstruksi bambu dan diikat dengan menggunakan rotan. Pembagian ruang di dalam rumah Baduy Dalam antara lain Imah yaitu ruang pusat atau inti rumah, Sosoro yaitu ruang depan setelah pintu masuk dan Tepas

yaitu ruang tanpa sekat dan lantai sejajar dengan Sosoro (Widyarti, 2011).

2.2

Eco-house

Eco-house adalah sistem membangun rumah yang ramah lingkungan dan efisien dalam

penggunaan sumber daya (Widyarti, 2011). Eco-house dikenal juga dengan bangunan yang berkelanjutan, maksudnya pembangunan yang mengarah pada keuntungan dalam mengurangi biaya operasional, memperbaiki kesehatan penghuni rumah dengan memperbaiki kualitas udara dan mengurangi buangan limbah baik cair maupun padat ke lingkungan dengan cara melakukan pengolahan (treatment plan). Beberapa arsitek melihat proses desain sebagai jalur produksi dengan bangunan sebagai produk yang akan dibangun pada suatu tempat dan tentunya memperhatikan aspek terhadap kualitas lingkungan akibat adanya pembangunan tersebut. Eco-house menerapkan konsep desain ekologis dimana dalam membangun harus terikat pada tempat (memanfaatkan hasil alam dengan bijak), mengelola air, angin serta denyut kehidupan alam dan sejarah lokal. Selain itu, prilaku sederhana juga akan berkontribusi pada budaya berkelanjutan seperti terwujudnya kesehatan manusia dan ekosistem. Desain eco-house yang berkelanjutan adalah desain yang memastikan bahwa dilakukan penelusuran terhadap dampak lingkungan dari desain yang dibuat.

2.3 Kenyamanan Termal Dalam Ruangan

Di daerah iklim tropis, kenyamanan termal dalam suatu ruang dapat dicapai apabila fluktuasi suhu didalam bangunan relatif sama dengan fluktuasi suhu diluar ruangan (Givoni, 1989). Menurut Mangun Wijaya Y.B (1994) secara umum suhu ruangan yang ideal ialah antara 20°C-25°C kelembaban 40%-50% dan gerak udara yang sedang 5 cm/detik-20 cm/detik.

(20)

4 distribusi cahaya pada dinding pandangan (Frick, 1998). Berikut beberapa hasil penelitian batas-batas Kenyamanan yang dinyatakan dalam temperatur efektif:

Tabel 1. Hasil penelitian batas-batas kenyamanan dinyatakan dalam temperatur efektif

Pengarang Tempat Kelompok Manusia Batas Kenyamanan

ASHRAE USA selatan (30o LU) Peneliti 20,5-24,5oC TE

Rao Calkutta (22o LU) India 20-24,5oC TE

Webb Singapura Khatulistiwa Malaysia, Cina 25-27oC TE

Mom Jakarta (6o LS) Indonesia 20-26oC TE

Ellis Singapura Khatulistiwa Eropa 22-26oC TE

(Lippsmeier 1980)

2.4 Suhu Udara

Suhu udara merupakan salah satu faktor atau parameter lingkungan yang sangat penting bagi kenyamanan di dalam eco-house. Suhu udara dalam ruang dipengaruhi oleh energi radiasi dari matahari, pindah panas konveksi, intensitas radiasi matahari, kecepatan dan arah angin, serta suhu udara lingkungan dilihat secara umum.

Bangunan didirikan untuk melindungi penghuni dari kondisi iklim luar bangunan dengan lingkungan dalam yang aman dan nyaman. Perlu dirancang bangunan yang mampu menanggapi kondisi-kondisi iklim lingkungan luar dan dalam maupun persyaratan kenyamanan penghuni bangunan. Pada desain eco-house perlu adanya ruang gerak udara agar pertukaran udara bersih terus berlangsung, hal ini juga bertujuan agar terjaganya suhu ruangan dimana suhu ruang yang sehat berkisar antara 20oC-25oC. Tingkat kenyamanan termal untuk orang Indonesia yang memakai pakaian harian biasa, batas atas nyaman optimal adalah 28oC dan kelembaban udara relatif 70% atau 25,8oC temperatur efektif, dan batas bawah adalah 24oC dengan kelembaban udara relatif 80% atau 22,8oC temperatur efektif (Lippsmeier, 1980).

2.5 Aliran Udara

Angin dalam bentuk sederhana dapat dibatasi sebagai gerak horizontal udara relatif terhadap permukaan bumi. Angin merupakan penghantar yang sangat efektif dalam proses pemindahan energi dan massa udara secara konveksi dibanding proses difusi dan konduksi. Angin memindahkan panas, uap air serta amoniak dari permukaan tanah atau tanaman ke atmosfer (Handoko, 1994). Angin juga diartikan sebagai aliran udara yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin pada daerah iklim tropis-lembab cenderung minim, biasanya berhembus agak kuat di siang hari atau pada musim pancaroba. Udara bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke udara bertekanan rendah. Udara yang masuk ke dalam rumah memiliki laju kecepatan yang tergantung pada luas ventilasi.

(21)

dinding-5 dinding luar sebuah bangunan terbuka untuk sirkulasi udara lebih besar daripada yang dibutuhkan untuk pencahayaan. Sedangkan di daerah kering, lubang cahaya biasanya dibuat lebih kecil dari pada yang diperlukan. Cara yang baik digunakan untuk merancang sistem sirkulasi udara alami adalah dengan sistem ventilasi silang (cross ventilation). Pada sistem ventilasi silang, sirkulasi udara telah diatur sedemikian rupa agar bisa mengalirkan udara dari satu titik ventilasi udara menuju titik ventilasi udara lainnya (Mannan, 2007). Dengan adanya perbedaan tekanan di dalam dan di luar bangunan, maka aliran udara tidak terjebak di dalam rumah, yang menyebabkan rumah terasa pengap dan panas. Orientasi bangunan terhadap arah angin yang paling menguntungkan bila memilih arah tegak lurus terhadap arah angin itu (Frick, 1998). Artinya bahwa penempatan jendela dan lubang ventilasi menghadap ke arah aliran angin. Kenyamanan di daerah tropis lembab hanya dapat dicapai dengan bantuan aliran angin yang cukup pada tubuh manusia.

Struktur bangunan dapat menangkis, menghalangi, dan membelokkan arah gerakan udara serta menurunkan dan meningkatkan kecepatan aliran udara. Struktur, ketinggian, lebar, panjang, dan bentuk bangunan akan berpengaruh pada gerakan udara. Udara yang bergerak kebagian atas bangunan dan sebagian lagi bergerak kebagian sisi lain, seperti terlihat pada Gambar 1. Struktur bangunan akan menghalangi aliran udara yang melewatinya dan dapat mengakibatkan penurunan kecepatan aliran udara (Boutet, 1987).

Gambar 1. Arah aliran udara yang melewati bangunan (Boutet, 1987)

Bentuk struktur dan fungsi suatu bangunan juga dapat mempengaruhi arah, kecepatan, dan gerakan udara disekitar bangunan.

(22)

6

2.6 Radiasi Matahari

Radiasi matahari adalah penyebab semua ciri umum iklim, radiasi matahari sangat berpengaruh terhadap kehidupan manusia. Kekuatan efektifnya ditentukan oleh energi radiasi (insolasi) matahari, pemantulan pada permukaan bumi, berkurangnya radiasi oleh penguapan, dan arus radiasi di atmosfir. Semuanya membentuk keseimbangan termal pada bumi. Dalam perjalanannya menuju permukaan bumi, radiasi matahari harus melewati atmosfir yang sebagian mengandung debu dan uap air. Jarak terpendek adalah radiasi vertikal. Secara teoritis, insolasi tertinggi akan terjadi jika sampai di permukaan bumi tegak lurus yaitu antara tropis cancer dan capricorn.

Lamanya penyinaran matahari setiap hari dapat diukur dengan otogral sinar matahari secara fotografis dan termoeleksis. Lama penyinaran maksimum dapat mencapai 90%. Salah satu cirri khas daerah tropis adalah waktu remang pagi dan senja yang pendek, semakin jauh sebuah tempat dari khatulistiwa, semakin panjang waktu remangnya. Cahaya siang bermula dan berakhir bila matahari berada sekitar 18o di bawah garis horison. Panas tertinggi dicapai kira-kira 2 jam setelah tengah hari, karena pada saat itu radiasi matahari langsung bergabung dengan temperatur udara yang sudah tinggi. Sebanyak 43% radiasi matahari dipantulkan kembali, 57% diserap, yaitu 14% oleh atmosfir dan 43% oleh permukaan bumi. Persyaratan-persyaratan panas di dalam suatu konstruksi terutama tergantung pada pertukaran panas antara dinding-dinding luar dan daerah di dekatnya, sedangkan penyinaran langsung dari sebuah dinding tergantung pada orientasinya terhadap matahari. Beberapa jenis bahan menyerap sebagian dari radiasi matahari, jenis kain memantulkan panas yang besar. Ini terjadi terutama pada dinding-dinding yang dicat dengan kapur putih. Dinding yang baru dicat menyerap tidak lebih dari 20% radiasi matahari. Di daerah tropis kering, dinding yang dicat putih, pada kasus-kasus tertentu member panas ke sekelilingnya sama atau hamper sama banyaknya dengan panas yang diterimanya dari radiasi matahari. Sebagian besar bahan-bahan menyerap sekitar 50%-95% radiasi matahari.

2.7 Perpindahan Panas

Indonesia yang berada di daerah tropis panas-lembab mempunyai karakteristik iklim sebagai berikut : tanah yang basah dengan muka air tanah yang tinggi, gerakan udara yang lambat dan hujan yang lebat, resiko korosi yang tinggi untuk logam (terutama pada kawasan pantai), kelembaban tinggi. Sehingga bahan bangunan pada kawasan tropis panas-lembab harus menyerap air, tahan terhadap korosi, dan mempunyai time lag perpindahan panas yang pendek.

Salah satu elemen bangunan yang mempunyai fungsi penting dan harus dapat merespon kondisi tersebut adalah dinding. Lippsmeier (1980) menyatakan bahwa dinding bangunan berfungsi sebagai : stabilitas bangunan, perlindungan terhadap hujan, angin dan debu, perlindungan terhadap radiasi matahari secara langsung, perlindungan terhadap dingin, perlindungan terhadap kebisingan, pengaman terhadap gangguan manusia dan hewan.

Berdasarkan media perantaranya, perpindahan panas dari suatu tempat ke tempat lain dapat terjadi melalui tiga cara :

 Konduksi

 Konveksi

 Radiasi

(23)

7

 Luas benda (obyek) yang tegak lurus pada arah perpindahan panas.

 Ketebalan obyek atau jarak antar obyek.

 Perbedaan temperatur antara dua titik yang diukur (umumnya antara temperatur di luar bangunan dengan di dalam bangunan).

 Karakteristik material atau konduktivitas bahan dari obyek atau medium.

Eb = σ(T/100)4_{………..…( 1 )}

Eb = Rapat pancaran panas

σ = Konstanta Stefan-Boltzman (5,67 W/m2K4) T = Temperatur absolute (oK)

2.8 Ventilasi

Kualitas udara harus dijaga untuk kepentingan kesehatan dan kenyamanan. Kualitas udara di dalam ruangan diatur dengan menyingkirkan komponen pengotor atau dengan memasukkan udara segar. Ventilasi memegang peranan penting dalam kedua proses tersebut. ventilasi didefinisikan sebagai kegiatan pemasukan udara segar secara alamiah atau mekanis ke dalam ruangan. Biasanya ventilasi udara diambil dari udara luar dan udara yang didaurkan (Mannan, 2007). Secara umum, fungsi atau tujuan dari sistem ventilasi pada bangunan adalah untuk mendinginkan ruangan, memurnikan kembali udara di dalam ruangan dan menghilangkan gas-gas beracun yang terakumulasi dalam suatu ruangan (Suhardiyanto, 2009). Sistem ventilasi yang sering digunakan yaitu sistem ventilasi alamiah dan ventilasi mekanis (buatan). Ventilasi alamiah adalah pertukaran udara di dalam suatu bangunan dengan udara di luarnya tanpa menggunakan kipas atau peralatan mekanik lainnya (Lindley dan Whitaker, 1996 diacu Suhardiyanto, 2009). Efek aliran udara dan perbedaan suhu lingkungan, bergerak sendiri atau bersama, dapat dimanfaatkan untuk pergerakan udara ventilasi khususnya laju ventilasi alami yang masuk dan melalui struktur bangunan. Aliran udara ventilasi alami disebabkan oleh perbedaan tekanan yang melalui lubang, ditimbulkan oleh efek angin dan

thermal. Pada sistem ventilasi alamiah akibat faktor termal, pergerakan aliran udara disebabkan akibat adanya efek buoyansi. Efek buoyansi terjadi akibat adanya perbedaan tekanan antara di dalam dan di luar rumah yang menyebabkan perbedaan kerapatan udara. Tekanan udara di dalam lebih rendah dibandingkan tekanan udara di luar rumah, sehingga udara luar akan masuk ke dalam rumah melalui bukaan ventilasi dan mendorong udara di dalam ke luar. Sistem ventilasi akibat faktor angin terjadi karena adanya pergerakan angin yang menerpa rumah sehingga menyebabkan perbedaan kerapatan udara antara posisi di dalam dan di luar rumah.

Setiap bangunan harus dilengkapi dengan ventilasi alami berupa jendela, kisi-kisi, atau bukaan lainnya yang dapat mengalirkan udara. Lebih lanjut diisyaratkan bahwa luas bersih dari jendela atau lubang hawa harus sekurang-kurangnya sama dengan 1/10 dari luas lantai ruangan dan setengah jumlah luas jendela atau lubang itu harus dibuka. Ventilasi mekanis relatif dapat memberikan efek pengendalian suhu yang lebih baik karena dapat dikendalikan sesuai dengan keinginan. Namun, sistem ini memerlukan biaya investasi dan operasional yang harus dipertimbangkan secara ekonomis apabila akan diterapkan pada usaha komersial. Pada prinsipnya, aliran yang diperlukan untuk pertukaran udara di dalam bangunan digerakkan oleh tenaga mekanis dengan peralatan yang disebut kipas angin atau fan (Suhardiyanto, 2009). Gardjito (2002) menyatakan sistem ventilasi alamiah yang baik adalah sistem yang sanggup menurunkan suhu di dalam ruangan sampai sama dengan suhu udara luar yang sangat bergantung pada faktor iklim setempat dan faktor rancang bangunan eco-house

(24)

8

2.9 Kelembaban Relatif Udara

Kelembaban udara relatif (relative humidity, RH) dalam ruangan adalah perbandingan antara jumlah uap air yang dikandung oleh udara tersebut dibandingkan dengan jumlah kandungan uap air pada keadaan jenuh pada temperatur udara ruangan tersebut. RH dipengaruhi oleh suhu udara dalam rumah dan laju migrasi uap air dari tanah ke udara karena adanya perbedaan tekanan uap diantara tempat-tempat tersebut.

Kelembaban relatf dari suatu campuran udara-air didefinisikan sebagai rasio dari tekanan parsial uap air dalam campuran terhadap tekanan uap jenuh air pada temperatur tersebut. Kelembaban relatif menggunakan satuan persen dan dihitung dengan cara berikut:

� ℎ � � = �

� � × 100%...( 2 )

Manusia sangat sensitif terhadap kelembaban, terutama kulit yang sangat sensitif terhadap ingkat kelembaban. Proses berkeringat adalah upaya tubuh untuk tetap tenang dan menjaga suhu saat ini. Jika udara berada pada 100% kelembaban relatif, keringat tidak akan menguap ke udara. Akibatnya, kita merasa jauh lebih panas daripada suhu sebenarnya ketika kelembaban relatif tinggi. Jika kelembaban relatif rendah, kita bisa terasa lebih sejuk daripada suhu yang sebenarnya karena keringat menguap dengan mudah. Di daerah tropis, kelembaban udara relatif berkisar antara 40%-70%, kelembaban yang terlalu tinggi akan menyebabkan penyakit jamur, karat, dan kondensasi.

2.10 Computational Fluid Dynamic (CFD)

ComputationalFluid Dynamics (CFD) adalah cabang dari dinamika fluida yang memberikan

nilai efektif untuk simulasi aliran-aliran nyata oleh solusi numerik dari persamaan yang mengatur (Sayma, 2009). ComputationalFluid Dynamics (CFD) merupakan suatu sistem simulasi yang berbasis komputer. Program CFD dapat memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu menggunakan penyelesaian persamaan-persamaan diferensial parsial. Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan menggunakan persamaan diferensial.

Penelitian menggunakan CFD sudah banyak dilakukan sebelumnya, misalnya simulasi pada Rumah Tanaman Standard Peak oleh Nurianingsih (2011) dan single span green house di Cikabayan oleh Hidayat (2006). Penelitian menggunakan CFD lebih ditujukan untuk menganalisis dan mengetahui pola aliran serta distribusi suhu iklim mikro di dalam suatu bangunan atau material.

Computational Fluid Dynamics atau CFD adalah suatu sistem dari konsep dasar aliran fluida dan pindah panas yang menggunakan simulasi berbasis komputer (Wulandani et al. 2001). CFD dapat melakukan analisis aliran fluida pada suatu bangunan dengan terlebih dahulu menyelesaikan persamaan-persamaan fluida yang mengatur aliran fluida. Persamaan pengatur (governing equations) ini dibangun dari suatu model aliran fluida berdasarkan prinsip kekekalan massa dan prinsip kekekalan momentum atau persamaan Navier-Stokes. Komputer digital tidak akan dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut secara langsung. Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial, koordinat kartesian dan dipecahkan menggunakan teknik CFD tiga dimensi yang didasarkan pada analisis numerik. CFD terdiri dari 6 elemen utama, yaitu:

(25)

9 Elemen pre-processor terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya menjadi bentuk yang sesuai dengan pemecahan solver. Input yang diberikan ini berupa : a. Pendefinisian geometri dari daerah yang dianalisis.

b. Penentuan jenis aliran (eksternal atau internal)

c. Pemilihan fenomena fisik yang diperlukan seperti gravitasi, kecepatan angin, dan jenis material.

d. Penentuan sifat-sifat fluida (konduktivitas, massa jenis, viskositas, panas jenis, dan sebagainya).

e. Penentuan mesh. f. Penentuan domain.

g. Penentuan kondisi batas yang sesuai.

h. Penentuan goal atau keluaran yang ingin dicapai.

Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu udara, dan lain-lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel maka ketelitian hasil pemecahan akan semakin baik (Tuakia 2008).

2) Solver

Solver adalah pemecahan model persamaan dasar aliran fluida (model persamaan

konservasi massa atau kontinuitas, momentum dan energi) menggunakan analisa numerik. Persamaan dasar aliran fluida (persamaan diferensial parsial) ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar yang sederhana yang disebut dengan metoda diskritisasi. Diskritisasi adalah proses transformasi persamaan diferensial parsial menjadi persamaan matematik yang lebih sederhana. Umumnya persamaan diskrit yang dihasilkan dari integrasi persamaan diferensial parsial pada volume kontrol adalah dalam bentuk persamaan implisit. Salah satu cara untuk menyelesaikan persamaan implisit yang terdiri dari banyak persamaan individual dihasilkan adalah dengan metode iterasi. Proses iterasi adalah membuat sebuah tebakan terhadap nilai variabel- variabel yang terdapat pada persamaan implisit. Proses iterasi terus dilakukan sampai selisih antara ruas kiri dan ruas kanan persamaan (residual error) mencapai nilai tertentu yang mendekati nol atau dapat dikatakan dengan konvergen.

3) Kekekalan Massa 3 Dimensi

Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju aliran net aliran massa ke dalam elemen fluida. Karena semua elemen

fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu, maka massa jenis fluida ρ ditulis dalam bentuk ρ

(x, y, z, t) dan komponen kecepatan fluida ditulis sebagai dx/dt=u, dy/dt=v, dan dz/dt=w. dalam bentuk persamaan matematika untuk fluida yang tidak terkompresi dinyatakan sebagai berikut (Versteeg dan Malalasekera, 1995):

�(� )

� +

�(� )

� +

�(� )

� = 0………( 3 )

dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m3) dan x, y, z adalah arah koordinat kartesian.

4) Persamaan Momentum 3 Dimensi

Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes dalam bentuk sesuai dengan metode finite volume (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

Momentum x: � �_� + � � + � � = � � +� �2

� 2+

�2

� 2+

�2

� 2 + � ………..( 4 )

(26)

10 � �_� + � � + � � = � � +� �2

� 2+

�2

� 2+

�2

� 2 + � ………...( 5 )

Momentum z: � �_� + � � + � � = � � +� �2

� 2 +

�2

� 2+

�2

� 2 + � ………...( 6 )

dimana µ adalah viskositas dinamik fluida (kg/m.s) dan SMX,SMY, SMZ adalah momentum yang berasal dari body per unit volume per unit waktu, masing-masing untuk koordinat x, y, dan z.

5) Persamaan Energi 3 Dimensi

Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa:

Laju perubahan energy partikel fluida = Laju penambahan panas ke dalam partikel fluida

ditambah dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematik dinyatakan dalam

persamaan sebagai berikut (Versteeg dan Malalasekera, 1995):

� �_� + � � + � � = � � + � � + � � + �2

� 2+

�2

� 2+

�2

� 2 + ………..( 7 )

dimana: � �_� + � � + � � = � � +� �2

� 2+

�2

� 2+

�2

� 2 + � ...( 8 )

dimana p adalah tekanan fluida (Pa), k adalah konduktivitas termal fluida (W/moC), T adalah suhu fluida (oC), dan Sladalah energi yang ditambahkan per unit volume per unit waktu.

Persamaan-persamaan tersebut diselesaikan dengan metode iterasi. Nilai solusi awal umumnya merupakan nilai dugaan (a guessed solution), dibutuhkan di awal proses perhitungan. Persamaan numerik digunakan untuk menghasilkan nilai pendekatan yang lebih akurat dimana semua variabel telah memenuhi ketiga persamaan aliran fluida. Nilai baru yang diperoleh tersebut kemudian digunakan sebagai nilai awal dalam perhitungan selanjutnya. Proses ini terus berulang sampai nilai error atau disebut juga residual variation, cukup kecil atau konvergen. Setiap pengulangan dalam proses mendapatkan solusi inilah yang disebut iterasi.

6) Post-Processor

Setelah persamaan tersebut kovergen, maka properti fluida dan aliran yang menjadi variabel pada persamaan dapat ditampilkan. Properti fluida dan aliran yang ditampilkan berupa model pindah panas yang dihasilkan dalam distribusi suhu udara, vektor dan distribusi kecepatan angin menjadi bentuk-bentuk sebagai berikut:

a. Tampilan geometri domain dan grid b. Plot vektor

c. Plot permukaan 2D dan 3D d. Tracking partikel

(27)

11

2.11 Solidworks 2011

Perkembangan teknologi CAD terus berkembang dengan pesat seiring tuntutan industri yang menginginkan kemudahan dalam pembuatan gambar yang diperuntukkan bagi proses produksi.

Software CAD yang pada awalnya berupa teknologi 2D, kini telah beralih ke teknologi 3D.

SolidWorks salah satunya, SolidWorks adalah software CAD 3D yang sangat mudah digunakan (easy

(28)

12

III. METODOLOGI

3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian

Kegiatan penelitian ini dilakukan di Laboratorium Komputer Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan. Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei-Juni 2012.

3.2 Alat Dan Bahan

a. SoftwareSolidWorks 2011

Software SolidWorks yang digunakan dalam penelitian ini adalah SolidWorks versi tahun 2011.

b. Personal Computer (PC)

Personal Computer (PC) digunakan untuk mengoperasikan program CFD dengan menggunakan software SolidWorks 2011.

c. Gambar denah rumah Baduy Dalam (Widyarti, 2011).

Denah Rumah Baduy Dalam yang digunakan dalam penelitian ini adalah gambar denah yang dibuat dalam Software SolidWork 2011. Model Rumah Baduy Dalam ini digunakan untuk melakukan simulasi suhu dan aliran udara dengan Computational Fluid Dynamic (CFD).

3.3

Tahapan Penelitian

Gambar 3. Diagram alir penelitian

Suhu antara

20oC-26oC _N

Y Mulai

Penggambaran Geometri

Input Data Lingkungan (data sekunder)

Ubah Material Bangunan

Simulasi

Bandingkan Hasil

Berhasil?

Modifikasi Bangunan Selesai

Material Kombinasi 1 Material Kombinasi 2 Material Kombinasi 3 Suhu, Kecepatan Angin,dan Kelembaban

(29)

13

3.3.1. Penggambaran geometri rumah Baduy Dalam

Gambar dan dimensi rumah Baduy Dalam yang telah dibuat dengan menggunakan program

SolidWorks 2011.

3.3.2. Input data lingkungan dan data yang diambil pada simulasi rumah

Baduy Dalam dengan material tradisional

Data lingkungan yang digunakan merupakan data sekunder berupa suhu lingkungan, ruang, dinding, dan atap, kecepatan angin, dan kelembaban relatif pada miniatur rumah Baduy Dalam sebagai data masukan untuk simulasi Computational Fluid Dynamic dengan menggunakan program

SolidWorks 2011 (Lampiran 1).

Pada penelitian ini digunakan juga data hasil simulasi rumah Baduy Dalam dengan material

tradisional sebagai data sekunder. Sumber data diperoleh dari Disertasi dengan judul “Kajian dan

Rekonstruksi Konsep Eco-house pada Permukiman Baduy Dalam Berdasarkan Community Sustainability Assesment” oleh Dr. Ir. Meiske Widyarti, M.Eng.

3.3.3. Material Bangunan

Material bangunan yang digunakan dalam proses simulasi adalah material yang umum digunakan pada rumah antara lain:

a) kombinasi 1 atap keramik-dinding bata-lantai ubin. b) kombinasi 2 atap beton-dinding bata-lantai ubin. c) kombinasi 3 atap asbes-dinding bata-lantai ubin.

3.3.4. Simulasi CFD

Simulasi kondisi kenyamanan termal pada model menggunakan program SolidWorksOffice Premium 2011 dengan flow simulation. Pada penelitian ini digunakan komputer portable dengan spesifikasi CPU Intel® CoreTM 2 Duo CPU T9300 @ 2.50 GHz; 4.00 GB RAM; dan 32-bit Windows Operating System.

Analasis berupa analisis 3 dimensi terhadap distribusi aliran fluida, kelembaban dan termal pada kondisi tetap (3-dimensional steady state analysis). Asumsi-asumsi yang digunakan dalam simulasi adalah sebagai berikut:

a) Udara bergerak dalam keadaan steady. b) Udara tidak terkompresi.

c) Panas jenis, konduktivitas, dan viskositas udara konstan. d) Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi. e) Distribusi suhu udara pada tiap atap dan lantai seragam. f) Kondisi rumah dalam keadaan kosong.

(30)

14 Tabel 2. Contoh input kondisi awal dan kondisi batas simulasi pada siang hari

Input Data Kasus Kombinasi 1

1 2 3

Kondisi Awal

Suhu lingkungan (oC) 33.00 34.00 33.00

Suhu material padat (oC) 32.00 32.00 32.00

RH lingkungan (%) 61 60 63

Kecepatan angin (m/dt) 0.9 0.4 0.9

Latitude (LS) 06o34' LS 06o34' LS 06o34' LS

Waktu (WIB) 11.00 13.00 15.00

Kondisi Batas

Suhu atap Barat (oC) 49.00 45.00 24.00

Suhu atap Timur (oC) 49.00 45.00 24.00

Suhu jurai (oC) 32.00 32.00 25.00

Langkah-langkah proses simulasi menggunakan software SolidWorksOffice Premium 2011 adalah sebagai berikut.

a) General Setting.

Setelah dilakukan pembuatan geometri rumah, kemudian dilakukan pengaturan tipe analisis, fluida, material padat, kondisi batas, dan kondisi awal simulasi secara umum. Gambar 4 sampai Gambar 8 merupakan tampilan interface general setting untuk kasus kombinasi 1 jam 11.00.

Analisis aliran dipilih tipe aliran eksternal tanpa memasukkan cavities, dalam hal ini rumah Baduy Dalam karena bagian yang dianalisis adalah bagian luar geometri rumah dan pengaruhnya terhadap internal geometri rumah. Berdasarkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah, maka proses konduksi yang terjadi pada material padat diperhitungkan. Pada interface ini nilai radiasi matahari dan environment temperature dimasukkan (Gambar 4). Fluida yang dianalisis adalah udara (air) dengan tipe aliran laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara (Gambar 5).

(31)

[image:31.595.118.509.83.451.2]

(32)

[image:32.595.142.512.79.385.2]

16 Gambar 5. Tipe analisis dan input fluida untuk kasus kombinasi 1.

[image:32.595.111.513.89.706.2]

(33)

[image:33.595.135.500.83.364.2]

17 Gambar 7. Kondisi dinding pada kasus kombinasi 1

[image:33.595.116.495.351.694.2]

(34)

18 Sebagai kondisi batas, permukaan dinidng terluar (default wall radiative surface) merupakan

Brick, red, and rough dengan solid material berupa dinding bata (brick). Kekasaran (roughness) diset sebesar 0 µm (Gambar 7). Nilai suhu udara pada initial and ambient condition dan tekanan masing-masing sebesar 33oC dan 101458 Pa (Gambar 8).

b) Mesh pada awal perhitungan diatur pada level 4.

c) Daerah perhitungan (Computational Domain) dibuat untuk daerah di luar dan di dalam rumah. d) Pendefinisian material rumah

Atap rumah Baduy Dalam didefinisikan dengan 3 macam material berbeda dalam perlakuan untuk simulasi. Material atap tersebut antara lain atap dari bahan tanah liat (keramik), atap beton, dan asbes. Selain itu didefinisikan pula material dinding dan lantai, dinding menggunakan pasangan bata dan lantai menggunakan lantai semen yang diubin. Karena material tersebut tidak ada dalam data teknik Solidworks, maka data sifat bahan perlu dimasukkan secara manual. Data material tersebut antara lain.

Tabel 3. Data material rumah yang dimasukkan ke Engineering Database Solidworks

Sifat Bahan Satuan Atap Keramik Atap Beton Asbes Brick Lantai

Kerapatan (ρ) Kg/m3 1900 500 1920 2100 2000

Panas Jenis (Cp) J/kg K 800 840 840 900 1000

Konduktivitas

Panas (k) W/mK 0.84 0.16 0.58 1.4 1.13

Tipe

Konduktivitas Isotropik Isotropik Isotropik Isotropik Isotropik

Melting

Temperature K 1700 4000 1500 1900 4000

e) Set kondisi batas

Komponen rumah yang merupakan sumber panas terbesar adalah atap. Kondisi batas dalam analisis distribusi suhu dan pola aliran udara ini adalah atap. Permukaan atap yang menjadi kondisi batas adalah yang berhubungan langsung dengan udara di dalam rumah.

f) Set tujuan (Goal) dari analisis

Goal dalam simulasi ini adalah global goal temperature dari fluid (maximum, average, and minimum) dan global goal velocity (maximum, average, and minimum).

g) Proses running atau perhitungan

Persamaan-persamaan konservasi diselesaikan dengan metode iterasi SIMPLER (

Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised). Proses perhitungan dimulai dengan

memecahkan variabel kecepatan fluida dan tekanan. Proses perhitungan akan diperlihatkan kepada

user berupa grafik konvergenitas residual variation. Jika proses perhitungan menghasilkan residual

yang menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya, maka tebakan nilai terhadap variabel-variabel cukup baik dan solusi akan diperoleh. Proses iterasi akan berhenti saat kondisi konvergen tercapai.

Untuk analisis termal kondisi tunak, Solidworks secara otomatis mengatur time step sama dengan 0.5. Karena simulasi dilakukan pada steady flow dimana udara tidak terkompresi, maka nilai massa jenis konstan selama iterasi.

(35)

19

3.3.5 Hasil Simulasi

Hasil simulasi suhu udara, kelembaban udara, dan kecepatan aliran udara diambil di 3 titik berbeda pada denah rumah yaitu di atap sebelah dalam dan 2 titik di dalam rumah dengan titik 1 meter diatas permukaan lantai. Denah titik pengukuran hasil simulasi diperlihatkan pada Gambar 9. Titik 1 di bagian sebelah dalam atap, titik 2 di ruang Imah, dan titik 3 di ruang Tepas.

Tabel 4. Koordinat titik pengukuran hasil simulasi kondisi pengudaraan

Titik Pengukuran X (m) Y (m) Z (m)

Titik 1 (atap) -16.0 -5.2 -13.0

Titik 2 (Imah) -17.5 2.0 -16.7

Titik 3 (Tepas) -14.3 2.0 -16.7

Gambar 9. Titik-titik pengambilan data iklim hasil simulasi

3.3.6 Membandingkan Hasil Simulasi

Melakukan perbandingan hasil simulasi kenyamanan termal antara model rumah Baduy Dalam yang menggunakan material modern dengan model rumah yang menggunakan material bangunan konvensional seperti rumbia dan bambu. Bila hasil simulasi kenyamanan termal pada model rumah berbahan modern tidak sesuai dengan standar kenyamanan termal maka dilakukan modifikasi model rumah dengan menambahkan ventilasi kemudian dilakukan simulasi ulang.

Modifikasi dilakukan dengan membuat ventilasi pada bagian depan dan belakang rumah serta samping kanan dan kiri rumah. Berikut dimensi ventilasi yang akan dibuat pada denah rumah Baduy Dalam.

Tabel 5. Dimensi ventilasi rumah Baduy Dalam modifikasi

Lokasi Ventilasi Panjang (mm) Lebar (mm)

Depan dan Belakang 2801 401

(36)

20

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Iklim Lingkungan disekitar miniatur Rumah Baduy Dalam

Kondisi iklim lingkungan di sekitar miniatur rumah Baduy Dalam yang diambil di Laboratorium Lapang Leuwikopo Dept. TMB Fateta IPB dari tanggal 12 November sampai dengan 14 November 2009. Dari data penelitian yang diambil dipilih data tanggal 13 November 2009 merupakan input penelitian yang ditampilkan pada Lampiran 1. Suhu udara terendah terjadi pada pukul 05:00 dan 06:00 sebesar 22oC, hal ini karena pada pukul tersebut terjadi proses kondensasi di sekitar rumah. Suhu udara tertinggi terjadi pada pukul 13:00 sebesar 34oC.

Menurut Lippsmeier (1980), panas tertinggi dicapai kira-kira 1-2 jam setelah tengah hari, karena pada saat itu radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara yang sudah tinggi, sedangkan suhu terendah sekitar 1-2 jam sebelum matahari terbit. Berikut data sekunder yang digunakan sebagai input pada proses simulasi.

Tabel 6. Data kondisi lingkungan penelitian sebagai data masukkan simulasi

Jam Suhu (°C) Kec. Aliran udara (m/s) RH (%)

11 33 0.9 61

13 34 0.9 63

15 24 0.9 92

19 23 0 96

21 23 0 96

23 23 0 96

Data kondisi lingkungan pada Tabel 6 merupakan data masukkan untuk simulasi. Jam 11:00, 13:00, dan 15:00 mewakili suhu tertinggi pada siang hari dan jam 19:00, 21:00, 23:00 mewakili kondisi lingkungan pada malam hari.

Dilihat pada Tabel 6 kelembaban pada malam hari cenderung konstan dan pada siang hari mengalami penurunan. Hal ini dikarenakan pada malam hari kecepatan aliran udara disekitar bangunan konstan. RH akan mengalami penurunan pada waktu siang hari dimana suhu udara meningkat, sehingga dapat dikatakan suhu dan kelembaban udara berbanding terbalik. Titik jenuh akan naik dengan meningkatnya suhu sehingga menyebabkan RH menurun (Lippsmeier, 1980). Kombinasi suhu udara dan kelembaban udara mempunyai pengaruh yang kuat terhadap kualitas udara di dalam ruangan (Priyanto, 1988).

Data radiasi matahari yang digunakan pada penelitian ini merupakan input data yang ada pada Solidworks. Data radiasi diinput melalui general setting pada menu Flow Simulation dengan tipe analisis External. Pada treeRadiation dipilih Solar Radiation yang didefinisikan berdasarkan waktu dan tempat. Lokasi berada di laboratorium Wageningen IPB dengan latitude 06o34' LS, waktu pengambilan data pada 13 November 2009 seperti terlihat pada Gambar 4.

4.2 Penggambaran Geometri

(37)

21 mengarah pada sumbu y. model rumah dan computational domain dapat dilihat pada Gambar 10 dengan sumbu z sebagai arah utara.

Gambar 10. Tampak piktorial domain dan geometri rumah Baduy Dalam

4.3 Hasil Simulasi

4.3.1 Hasil simulasi kombinasi 1

Hasil simulasi suhu dan pola aliran udara pada Model rumah Baduy Dalam dengan komponen kombinasi 1 antara lain komponen atap keramik, dinding bata, dan lantai semen yang dilakukan selama 6 waktu, 3 di saat siang hari dan 3 di waktu malam hari. Waktu siang yaitu jam 11:00 pada Gambar 11-14 , jam 13:00 pada Gambar 15-18, jam 15:00 pada Gambar 19-22 . Suhu di dalam rumah terlihat lebih tinggi dibandingkan suhu sekitar lingkungannya. Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada atap dan dinding ke udara, hal ini diperlihatkan dengan suhu yang lebih tinggi di ruang antara atap dan dinding.

Gambar 11. Tampak depan distribusi suhu udara jam 11:00

(38)

22 Gambar 13. Tampak atas kontur dan vektor kecepatan aliran udara jam 11:00

Gambar 14. Kontur kelembaban relatif material kombinasi 1 jam 11:00

Gambar 11, 12, 13 memperlihatkan distribusi suhu dan vektor kecepatan aliran udara pada jam 11:00. Suhu udara di dalam ruangan sebesar 46.84°C pada titik 2 dan 46.06°C pada titik 3 sedangkan pada bagian di dekat atap titik 1 suhu hasil simulasi sebesar 48.26°C. Penyebaran suhu ini hampir merata diseluruh bagian dalam rumah. Hal ini disebabkan oleh volume ruang yang relatif kecil dan atap serta dinding yang masih menyimpan panas akibat radiasi matahari pada siang hari. Pergerakan aliran udara yang ditunjukan pada Gambar 12 bergerak lurus ke belakang bagian rumah, kecepatan angin tertinggi berada di bagian atas dan samping kanan dan kiri rumah, hal ini karena aliran udara yang datang bertabrakan langsung dengan bagian muka bangunan yang berada dalam keadaan tertutup sehingga aliran udara disebarkan dan hanya sedikit yang masuk ke dalam rumah. Hasil simulasi sebesar 0.133 m/s di titik 1, 0.053 m/s di titik 2, 0.042 m/s titik 3. Aliran udara di dalam ruang lebih kecil dari aliran udara di sekitar lingkungan yaitu sebesar 0.9 m/s, hal ini disebabkan oleh kondisi rumah dalam keadaan tertutup hanya terdapat lubang-lubang kecil di bagian atas dinding dekat atap sehingga kurang terjadi sirkulasi udara di dalam rumah. Kelembaban relatif hasil simulasi jam 11:00 diperoleh sebesar 27.09% di titik 1, 29.11% di titik 2, dan 30.29% di titik 3. RH lingkungan sebesar 61%. Dengan tingginya suhu dalam rumah maka kelembaban semakin kecil, hal ini juga karena pengaruh aliran udara yang hampir tidak ada di dalam ruangan.

(39)

23 Gambar 16. Tampak depan vektor kecepatan aliran udara jam 13:00

Gambar 17. Tampak atas vektor kecepatan aliran udara jam 13:00

(40)

24 Kecepatan aliran udara pada jam 13:00 memiliki besar kecepatan aliran sebesar 0.9 m/s, kondisi bangunan tertutup sama seperti simulasi jam 11:00 sehingga aliran udara yang masuk ke dalam bangunan memilki nilai yang relatif kecil yaitu sebesar 0.0172 m/s di titik 1, 0.064 m/s di titik 2, dan 0.08 m/s di titik 3. Pergerakan aliran udara yang ditunjukkan pada Gambar 16 udara mengalir dari depan bangunan dan bergerak lurus ke belakang dan atas bangunan. Udara yang mengalir ke dalam bangunan hanya sebagian kecil ditumjukkan oleh kontur warna biru yang merata di seluruh bagian dalam bangunan.

Distribusi suhu dan aliran udara jam 15:00 ditunjukan pada Gambar 19 sampai Gambar 21 memiliki nilai suhu dalam ruangan sebesar 36.07°C di titik 1, 35.46°C di titik 2, dan 35.83 di titik 3 dengan suhu lingkungan sebesar 24°C. Atap dan dinding menyimpan panas dari radiasi matahari sehingga suhu dalam ruangan menjadi tinggi dari suhu lingkungan. Kurangnya sirkulasi udara juga menyebabkan tingginya perbedaan suhu di dalam dan luar ruangan.

Gambar 19 menunjukkan sebaran merata suhu di dalam rumah, kondisi rumah yang tertutup menyebabkan terjadi perbedaan suhu yang besar selain itu komponen material penyusun dinding dan atap bangunan juga sangat mempengaruhi dalam hal ini atap menggunkan bahan tanah liat (genteng) dan dinding pasangan bata. Keduanya memiliki kerapatan yang tinggi dan mampu menyimpan panas. Dengan kondisi tertutup, sangat kecil terdapat pergerakkan aliran udara di dalam rumah. Kecepatan aliran udara di luar rumah mempunyai nilai sama besar dengan kondisi jam 11:00 dan 13:00 yaitu 0.9 m/s. Sirkulasi udara di dalam ruang hasil simulasi memiliki nilai antara 0.06 – 0.1 m/s hanya berbeda sedikit dengan simulasi sebelumya. Terjadinya perbedaan pergerakkan di dalam bangunan dimana kondisi di lingkungan memiliki nilai yang sama dapat disebabkan oleh perbedaan kerapatan udara. Kerapatan udara yang rendah menyebabkan suhu udara dan kecepatan angin meningkat. Berikut ditampilkan vektor kecepatan aliran udara jam 15:00.

(41)

25 Gambar 21. Tampak atas vektor kecepatan aliran udara jam 15:00

RH hasil simulasi jam 15:00 diperoleh antara 45%-47% merata di seluruh ruangan sedangkan RH lingkungan sebesar 92%. Tingginya suhu dalam ruangan menyebabakan RH lebih kecil dibandingkan dengan RH di luar ruangan. kelembaban pada jam 15:00 lebih tinggi dibandingkan dengan jam-jam sebelumnya hal ini karena suhu lingkungan yang lebih rendah sehingga suhu ruanganpun tidak terlalu tinggi.

Simulasi pada malam hari dilakukan mulai jam 19:00, 21:00, dan 23:00. Pada jam-jam tersebut suhu lingkungan rumah mempunyai nilai sama besar yaitu 23°C. Kecepatan aliran udara di sekitar rumah juga mempunyai nilai sama yaitu 0 m/s. Hasil simulasi distribusi suhu dan aliran udara jam 19:00 dapat dilihat pada Gambar 23-25.

(42)

26 di titik 3. Walaupun sangat kecil namun ada pergerakkan udara, berbeda dengan di luar ruangan yang memiliki nilai 0 m/s. Hal ini dapat terjadi karena adanya perbedaan kerapatan udara. Perbedaan kerapatan udara terjadi karena adanya perbedaan suhu rumah dengan lingkungan.

Gambar 24. Tampak depan vektor kecepatan aliran udara jam 19:00

Gambar 25. Tampak atas vektor kecepatan aliran udara jam 19:00

Aliran udara bergerak lurus ke atas, kecepatan angin yang tinggi berada di bagian atas rumah sementara kecepatan udara di luar rumah sebesar 0 m/s. Hal ini karena udara mengalir dari posisi dengan suhu yang lebih tinggi yang dimiliki oleh atap ke posisi dengan suhu yang lebih rendah yaitu lingkungan di sekitar rumah sehingga menyebabkan perbedaan kerapatan udara.

Kelembaban relatif udara pada jam 19:00 di dalam bangunan ± 92%, udara lembab di lingkungan rumah pada malam hari dengan tingkat kelembaban sama pada jam 19:00-23:00 sebesar 96%. Karena perbedaan suhu yang kecil di dalam dan luar rumah maka kelembaban tidak jauh berbeda, atap dan dinding bangunan yang merupakan material solid relatif tidak menyimpan panas karena suhu lingkungan yang rendah dan kurangnya radiasi matahari.

(43)

27 jam 23:00 suhu udara rata-rata sebesar 23°C. Kecepatan aliran ± 0.01 m/s, adanya pergerakkan udara disebabkan karena perbedaan kerapatan udara di dalam dan luar ruangan. Aliran udara relatif cepat di atas atap karena suhu atap lebih tinggi dari suhu lingkungan sehingga kerapatan udara berbeda. RH juga memiliki nilai yang tinggi yakni antara 93% sampai 95% untuk jam 21:00 dan jam 23:00. Berikut ditunjukkan gambar vektor kecepatan aliran udara pada jam 21:00 dan 23:00.

Gambar 28. Vektor kecepatan aliran udara jam 21:00

[image:43.595.120.469.114.768.2]

(44)

28 Gambar 31. Vektor kecepatan aliran udara jam 23:00

[image:44.595.110.533.429.706.2]

Berikut ringkasan dalam bentuk tabel dan grafik simulasi suhu dan pola aliran udara pada kombinasi 1 pada waktu siang dan malam hari.

Tabel 7. Hasil simulasi iklim mikro rumah Baduy Dalam kombinasi 1

Waktu (Jam) Titik Pengukuran Suhu (°C) Suhu Lingkungan (°C) Aliran udara (m/s) Aliran udara Lingkungan (m/s) RH (%) RH Lingkungan (%) 11:00