Beban Pendinginan.pdf

(1)

1

TUGAS REKAYASA TERMAL

PERHITUNGAN BEBAN PENDINGINAN

Oleh:

1. Tica C. Nisa

(2409100037)

2. Sustia Agustini

(2409100047)

3. Prim Arista

(2409100059)

4. M. Nizar Aditya

(2409100061)

5. A. Syukron

(2409100063)

JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

(2)

2 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kenyamanan suatu ruangan sangat berpengaruh bagi manusia dalam melakukan segala aktivitasnya didalam ruangan. Kenyamanan itu meliputi kelembaban, temperature, ketersediaan oksigen, serta sirkulasi udara. Beberapa tahun belakangan ini, temperature bumi semakin meningkat. Hal tersebut dipengaruhi oleh global warming. Global warming mengakibatkan efek rumah kaca, es di kutub mencair, pergantian musim yang mulai tidak sesuai pada waktunya, dan udara terasa lebih panas.

Penggunaan pendingin ruangan (air conditioning) sekin banyak digunakan hampir disetiap ruangan. Sering penggunaan pendingin ruangan tidak sesuai dengan beban pendinganan ruangan tersebut, terlalu besar atau terlalu kecil pengunaan pendingin ruangan yang digunakan. Sehingga sering terjadi boros energy listrik sehingga pembayaran tagihan listrikpun semakin besar sebaliknya jika pendingin ruangan terlalu kecil, maka kenyamananpun tidak tercapai. Penting untuk mengetahui beban pendinginan dari suatu ruangan.

Praktikum ini dilakukan pada kamar berukuran 2,7 x 2,1 meter yang didalamnya terdapat barang – barang seperti meja, tempat tidur, box plastic, rak, dan kardus. Penghitungan beban pendinginan dari ruangan ini bertujuan agar dapat menentukan besar dari pendingin ruangan yang dibutuhkan agar tepat dan tidak boros energy sehingga kenyamanan penghuni ruangan dapat tercapai.

1.2 Rumusan Masalah

Berapa besar beban pendinginan kamar kos E29 ? 1.3 Tujuan

Mengetahui beban pendinginan kamar kos E29 ? 1.4 Sistematika Laporan

Laporan ini tersusun atas beberapa bab. Bab I pendahuluan yang berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan, dan sistematika laporan. Bab II dasar teori. Bab III metodologi percobaan. Bab IV analisa dan pembahasan. Bab V kesimpulan dan saran.

(3)

3 BAB II

DASAR TEORI

2.1 Beban Pendinginan Udara

Berdasarkan jenis kalorinya, penambahan kalor pada ruangan (space heat

gain) dibedakan menjadi dua jenis yaitu penambahan sensibel (sensible heat gan)

dan penambahan kalor laten (latent heat gain). Kalor sensibel adalah suatu kalor yang berhubungan dengan perubahan suhu udara sedangkan kalor laten adalah suatu kalor yang berhubungan dengan perubahan fasa air.

Beban pendinginan ruangan (Space Cooling Load) merupakan laju aliran kalor yang harus diambil dari dalam ruanagn untuk mempertahankan suhu dan kelembaban udara relatif ruanagn pada kondisi yang diinginkan.

Gambar 2.1 Skema perpindahan kalor

Penambahan kalor pada ruangan terjadi secara konveksi dan radiasi. Beban pendinginan ruangan sebenarnya menangani kalor konveksi saja. Kalor radiasi harus terlebih dahulu diserap oleh permukaan selubung ruangan (atap, dinding,

partisi, dll) dan benda – benda (furniture) yang terdapat dalam ruangan. Ketika

penyimpanan kalor (heat storage) tersebut menjadi lebih hangat dari suhu udara ruangan, maka sebagian kalor dipindahkan (transfered) ke udara ruangan secara konveksi.

Beban pendinginan ruangan terdiri dari beban pendinginan luar (external

cooling load) dan beban pendinginan dalam (internal cooling load). Selain kedua

beban pendinginan tersebut, terdapat juga beban pendinginan akibat ventilasi dan ilfiltrasi udara dari luar ruangan.

(4)

4 2.1.1 Beban Pendinginan Luar

Beban pendinginan ini terjadi akibat penambahan kalor di dalam ruangan yang dikondisikan karena sumber kalor dari luar yang masuk melalui selubung bangunan termasuk dinding partisi. Sumber kalor luar yang termasuk beban pendinginan ini adalah :

1. Konduksi kalor sensibel melalui dinding luar (external wall), atap dan benda transparan seperti kaca.

2. Radiasi kalor sensibel melalui benda transparan seperti kaca 3. Konduksi kalor sensibel melalui partisi, lantai, dan langit – langit

2.1.2 Beban Pendinginan Dalam

Beban pendinginan ini terjadi dilepaskannya kalor sensibel maupun kalor laten dari sumber yang ada di dalam ruangan yang dikondisikan. Sumber kalor dalam ruangan yang termasuk beban pendinginan adalah:

1. Kalor sensibel dari pencahayaan buatan di dalam ruang yang dikondisikan 2. Kalor sensibel dan laten penghuni ruangan yang dikondisikan

3. Kalor ssensibel dan laten peralatan listrik,uap dan gas (electric, steam, and

gas heated appliances) yang ada di dalam ruangan dikondisikan

4. Kalor sensibel dari peralatan daya (power equipment) termasuk motor listrik penggeraknya yang ada di dalam ruangan dikondisikan

2.3 Cooling Load Temperature Differensial (CLTD)

Dalam perancangan suatu ruangan, diperlukan perhitungan beban pendinginan. Beban pendinginan dapat berasal dari beban eksternal, internal maupun beban akibat ventilasi dan infiltrasi. Beban eksternal bisa berasal dari konduksi bangunan yang ada di sekitar dan sinar matahari. Beban internal berasal dari panas yang dihasilkan dalam ruangan tersebut. Metode yang digunakan untuk perhitungan beban pendinginan yaitu metode CLTD/CLF (Cooling Load

(5)

5 2.3.1 Konduksi pada Dinding Luar, Jendela, dan Pintu

Besar beban pendinginan melalui dinding tergantung pada luas dinding, harga koefisien perpindahan panas dinding (U) dan perbedaan temperatur luar dengan temperatur ruangan. Harga U dapat dihitung menggunakan persamaan:

R

U  1 (1)

dimana: U = Koefisien perpindahan panas dinding (Btu/hr.ft2.oF), R = Tahanan dinding (hr.ft2.oF/Btu). Besar beban pendinginan melalui dinding luar, jendela, dan pintu dihitung berdasarkan persamaan:

QUACLTD_corr (2)

Dengan: Q : laju kalor pada bahan dinding luar, jendela, pintu (Btu/h)

U : koefisien transmisi kalor bahan (Btu/h.F°.ft2)

A : luas permukaan bahan (ft2)

CLTDcorr : Potensial kalor pada bahan yang terkena matahari (°F)

Berikut adalah persamaan lengkap untuk koreksi CLTD dinding :

) 85 2 ( ) 78 ( (    ₀    CLTD Tr T Dr CLTD_corr (3)

Dengan: Tr : Suhu ruangan (°F) To : Suhu rancangan luar (°F)

Dr : daily rate / suhu rata-rata harian (°F)

2.3.2 Beban Akibat Lampu

Beban pendinginan dari lampu didasarkan pada asumsi bahwa semua lampu yang berada di ruangan menyala selama unit mesin pendingin beroperasi. Beban panas dari lampu dapat dihitung dengan persamaan:

fs CLF P

Q 3.41  (4)

(6)

6 P : Daya input (watt)

CLF : cooling load factor fs : factor ballast

2.3.3 Konduksi pada Atap dan Lantai

Beban pendinginan melalui atap dan lantai adalah besar panas yang melalui lantai dan atap, perpindahan panas secara konduksi dari luar ke dalam ruangan yang dikondisikan. Konduksi panas lantai adalah sebagai berikut:

T U A

Q   (5)

Dengan: Q : laju heat loss (Btu/h)

U : koefisien transmisi kalor bahan (Btu/ h.°F.ft2)

A : luas permukaan bahan (ft2)

∆T : Perbedaan suhu dalam dan luar ruangan (°F)

2.3.4 Beban Akibat Penghuni

Beban pendinginan dari manusia diakibatkan panas yang dikeluarkan tubuh yang berada di ruangan. Beban panas yang dikeluarkan tubuh bergantung dari aktvitas manusia tersebut.

CLF sensHG N

Qs   (6)

Dengan : Qs : laju kalor (Btu/h)

sensHG : laju kalor sensible per orang CLF : Cooling Load Factor

2.3.5 Beban Sumber Lain (Peralatan)

Beban pendinginan dari sumber lain adalah beban yang disebabkan oleh peralatan yang dapat menimbulkan panas. Beban pendinginan ini dapat juga disebabkan adanya kebocoran pada saluran udara, penambahan panas ini memiliki toleransi ± 10% dari room sensible heat (RSH)

T U A

Q   (7)

(7)

7

U : Koefisien transmisi kalor bahan (Btu/ h.F°.ft2)

A : Luas permukaan bahan (ft2)

∆T : Perbedaan suhu dalam dan luar ruangan (°F)

2.3.6 Radiasi Matahari Melalui Jendela

Panas selain dikonduksikan dari jendela, juga terdapat radiasi matahari lewat jendela yang diberikan oleh persamaan berikut:

CLF SHGF SC A Q   (8) Dengan:

Q : laju aliran kalor radiasi pada kaca (Btu/h) SC : Shading Coefficient

SHGF : Solar Heat Gain Maximum (Btu/h.ft2) CLF : Cooling Load Factor

(8)

8 BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1 Alat dan Bahan 1. Termometer 2. Penggaris

3. Kertas tissue atau kapas

3.2 Prosedur Percobaan

1. Disiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan.

2. Diukur luas ruangan yang akan dihitung beban pendinginannya. 3. Diukur luas permukaan dari setiap barang yang ada diruangan.

4. Diukur suhu di dalam ruangan dan suhu diluar ruangan secara bersamaan. 5. Semua hasil pengukuran dicatat pada tabel data yang disediakan.

Gambar 3.1 Denah ruangan Keterangan : : Jendela : Pintu S B U T box meja rak buku kasur 2,1 m 2 ,7 m

(9)

9 BAB 4

DATA DAN PEMBAHASAN

Data pengukuran dan perhitungan ini dibedakan atas metode yang digunakan dalam analisis beban pendinginan ruang, yaitu:

4.1 Data Pengukuran dan Perhitungan Secara Manual dengan Metode CLTD/CLF

Dari data yang didapat, selanjutnya diolah hingga menjadi seperti dalam tabel. Untuk denah ruangan dapat dilihat pada gambar 3.1.

Tabel 1. Luas bagian-bagian pada kamar kos E-29

No. Bagian Luas (m2)

Utara Timur Selatan Barat 1 Dinding 5,775 7,425 5,775 7,425 2 Pintu 1,5 0 1,5 0 3 Jendela kaca 0,7 0 0,7 0 4 Atap 5,67 5 Lantai 6,67 6 Meja 0,375 7 Rak 0,27 0,18 0,27 0,18 8 Box 0,3534 0,372 0,3534 0,372 9 Kasur 2,1 10 Bantal 0,175 11 Guling 0,09

Daftar koefisien transmisi kalor bahan dari masing-masing bagian ruangan diberikan dalam tabel berikut:

Tabel 2. Koefisien transmisi kalor bahan

Bahan Material U (W/m2K)

Atap Asbestos-cement shingles 27

Tembok Asbestos-cement board 3.2 mm 187.4

Pintu Plywood 19 mm 6.1

Rak Rubber 113.6

Meja dan box Wood 19 mm 8.35

Jendela 1 Kaca 90 mm 0.44

Jendela 2 Kaca 210-250 mm 0.19

Kasur Carpet and Rubber 4.6

(10)

10 Tabel 3 Nilai CLTD

Jam CLTD (F)

12 Utara (North) Timur (East)

Selatan (South)

Barat (West)

10 19 14 19

Data-data penunjang lain dan tetapan serta factor koreksi dalam perhitungan beban pendinginan melalui metode CLTD/CLF adalah:

To : Tdb = 104 oF, Twb = 95 oF Tr : Tdb = 91.4 oF, Twb = 82.4 oF T = To – Tr = 313 – 306 = 7 K Tkeseharian = 98,6 F Dr = 21,6 oF P = 5 watt Sens HG = 315 Btu

Jumlah orang = 3 orang

Nilai Cooling Load Temperature Different (CLTD) dari berbagai sisi adalah. a) Sisi Utara CLTD corrected = [10 + (91.4 – 82.4) + (104 – ((104 – 82.4)/2) – 98,6] = 13,6 oF = 262,7 K b) Sisi Timur CLTD corrected = [19 + (91.4 – 82.4) + (104 – ((104 – 82.4)/2) – 98,6] = 22,6oF = 267,7 K c) Sisi Selatan CLTD corrected = [14 + (91.4 – 82.4) + (104 – ((104 – 82.4)/2) – 98,6] = 17,6 oF = 265 K d) Sisi Barat CLTD corrected = [19 + (91.4 – 82.4) + (104 – ((104 – 82.4)/2) – 98,6] = 22,6 oF = 267,7 K

(11)

11 Sisi Utara

No Bahan Ukuran (m) Luas (m2)

1 Pintu 0.75 x 2 1.5 2 Jendela 0.75 x 1 0.75 3 Dinding = Dinding-(Meja+Rak+Pintu+Jendela) 2.7 x 2.75 – (0.2 x 0.25+0.1 x 1+0.75 x 0.7+0.4 x 0.93) 2.995 4 Rak + Dinding 2(0.3 x 0.6) 0.36 5 Meja + Dinding 2(0.5 x 0.7) 0.7

a) Q Pintu = Apintu x Upintu x CLTDutara = 1.5 x 6.1 x 262,7 = 2403,7 Watt b) Q Jendela Utara = Ajendela x Ukaca x CLTDutara = 0,75 x 0.44 x 262,7 = 86,7 Watt c) Q Dinding kosong utara = Atot x U dinding x CLTDutara = 2.995 x 187.4 x 262,7 =

147443,7 Watt

d) Q rak + Q dinding = Atot (Urak x T + Udinding x CLTDutara) = 0,36 (113,6 x 7+ 187,4 x 262,7) = 0.36(1431.36 + 49229,9) = 18238,1 Watt

e) Q meja + Q dinding = Atot (Umeja x T + Udinding x CLTDutara ) = 0,7 (8,35 x 7 + 187,4 x 262,7) = 0.7 (105.21 + 49229,9) = 34534,5 Watt

Jumlah Q pada bagian utara adalah 202445,1 Watt

Sisi Timur

No Bahan Ukuran (m) Luas (m2)

1 Sisa Dinding = Dinding – (Jendela + Kasur + Meja + box) 2.7 x 2.75 – (0.2 x 0.25 + 0.1 x 1 + 0.75 x 0.7 + 0.4 x 0.93) 6.65 2 Jendela 2 0.2 x 0.25 0.05 3 Kasur 0.1 x 1 0.1 4 Rak 0.45 x 0.6 0.276 5 Atap 2.1 x 2.7 5.67

a) Q Dinding kosong timur = Atot x Udinding x CLTDtimur = 6,65 x 8,35 x 267,7 =14864,7 Watt

b) Qjendela2 = AJendela2 x Ukaca2 x CLTDtimur = 0,05 x 0,19 x 267,7 = 2,54 Watt

(12)

12 d) Qtot = Qdinding + Qmeja + QRak = Arak (Udinding x CLTDtimur + Umeja x T +

Urak x T ) = 0,276 (187,4 x 267,7 + 8,35 x 7 + 113,6 x 7 ) = 0.276 (60473.98 + 105.21 + 126.2) = 0.276 x 60705.39 = 14081,7 Watt Jumlah Q pada bagian timur adalah 55852,7 Watt

Konduksi Atap dan Lantai

a) Qatap = Aatap x Uasbes x CLTDtimur = 5.67 x 27 x 267,7 = 40982,2 Watt b) Qlantai = Alantai x Ukeramik x T = 5,67 x 113,6 x 7 = 4508,7 Watt

Qtotal = Qatap + Qlantai = 45490,984 Watt

Sisi Barat

Q dinding kosong selatan = Adinding x Udinding x T = (2,7 x 2.75) x 8,35 x 7 = 433,9 Watt

Sisi Selatan

Q dinding kosong selatan = Adinding x Udinding x T= (2,1 x 2,75) x 8,35 x 7 = 337,5 Watt

Beban Akibat Penghuni

Jumlah penghuni/orang yang beraktivitas dalam kelas diasumsikan sesuai jumlah kursi yaitu 64 orang, sehingga panas yang dihasilkan sebesar:

Qs = Jumlah orang x sensHG x CLF = 3 x 315 Btu x 1

= 945 Btu/h

Beban Akibat Lampu

Dalam ruang kelas P-106 terdapat 20 buah lampu TL dengan daya 36 Watt, maka panas yang ditimbulkan oleh sejumlah lampu tersebut adalah:

Q = 1 x P x 3,41 x CLF x fs = 1 x 5 x 3,41 (-1) x 1 = -17,5 Btu/h

(13)

13 Beban Total Q Nilai (Watt) Sisi Utara 202445,1 Sisi Timur 55852,7 Sisi Barat 433,9 Sisi Selatan 337,5

Konduksi Atap dan Lantai 45490,984 Beban akibat penghuni 945

Beban lampu 17,5

Total 305522,684

Total keseluruhan nilai Q adalah 305522,684 Watt = 290,24 btu/hr = 0,25 pk. Untuk PK di pasaran = 0,03

(14)

14 BAB 5

KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan cooling load yang telah dilakukan secara manual dengan metode CLTF/CLF, didapatkan nilai Qtotal sebesar 305522,684 Watt. Dengan Qtotal tersebut, jika dikonversi kedalam bentuk satuan PK maka dihasilkan nilai 0,25 PK. Jadi, untuk kamar kos E29 sebenarnya membutuhkan membutuhkan AC dengan nilai 0,25 PK. Namun jika di pasaran nilai 0,25 PK itu sebenarnya adalah 0,03 PK dan untuk AC nilai tersebut tidak ada. Jadi, kamar E29 tidak begitu membutuhkan AC untuk pendinginan.