SIMULASI SISTEM GABUNGAN ALAT PENUKAR KALOR UDARA-TANAH DAN SOLAR CHIMNEYPADA RUANGAN UJI DENGAN MENGGUNAKAN CFD

SIMULASI SISTEM GABUNGAN ALAT PENUKAR KALOR UDARA-TANAH DAN SOLAR CHIMNEYPADA RUANGAN

UJI DENGAN MENGGUNAKAN CFD

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

BASTIAN RESTA PINEM NIM. 140401068

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2018

ABSTRAK

Dalam hal meningkatkan kenyamanan dalam sebuah ruangan banyak dilakukan penelitian untuk menciptakan suatu sistem yang dapat membuat ruangan terasa nyaman tanpa harus membuang banyak energi. Penghematan energi pada zaman sekarang adalah prioritas utama dikarenakan ketersediaan energi yang terbatas dan kebutuhan pemakaian energi yang tidak terbatas. Penggunaan AC dalam hal meningkatkan kenyamanan dalam ruangan, selain menghabiskan energi yang cukup besar, efek samping penggunaan AC juga membuat efek rumah kaca bagi bumi. Penelitian ini dilakukan untuk membuat sistem gabungan antara Alat Penukar Kalor Udara-Tanah yang berperan mendinginkan udara ruangan dan Solar Chimney yang berperan menghasilkan ventilasi udara ruangan. Tujuan utama dari penelitian ini adalah menciptakan sebuah sistem yang berfungsi untuk membuat kenyamanan dalam suatu ruangan tanpa harus memakai energi.Simulasi pada penelitian ini menggunakan Ansys 19.0 : Student Version dan Simulasi dilakukan secara terpisah dengan metode yang dipakai adalah Steady State, dan mengaktifkan fungsi radiasi pada models. Simulasi pada ruangan uji berukuran 2 m x 2 m x 2 m, solar chimney dengan ukuran tinggi 5 m, diameter 0,3 m dan tebal 1mm dan ukuran Alat Penukar Kalor Udara-Tanah sepanjang 26,5 m diamter 4”

dan dengan ketebalan 3mm. Pada hasil simulasi sistem berhasil menuruankan suhu ruangan hingga mencapai 27,883 ^oC pada simulasi, dan 25,2653^oC pada hasil eksperimental sedangkan pada Alat Penukar Kalor Udara-Tanah temperatur outletnya sebesar 26,33 ^oC secara simulasi dan 27,3507^oC pada hasil eksperimental.

Kata kunci : Energi Terbarukan, Pendinginan Pasif, Ansys 19.0 : Student Version, Alat Penukar Kalor Udara-Tanah,Solar Chimney.

ABSTRACT

In terms to increasing comfort in a room, a lot of researh done to create a system that can make the room feel comfortable without having to waster a lot of energy.

The energy savings of today are the main priorities due to the limited availavility of energy and the unlimited need for energy. The use of air conditioning in terms of increasing comfort in the room, besides wasting much energy, the another side effects of using air conditiong is also create a greenhouse effect for the earth. This research was done to create a couple system between earth air heat exchanger to cool the air in the room and solar chimney which has the role of generating room air ventilation. The main purpose of this research is to create a system that can be used to create comfortable room without using energy. The simulation of this research using Ansys 19.0 : student version, simulation is done separately with transient method and active radiation function in models. The size of the test room 2 m x 2m x 2m, high solar chimney 5 m, diameter 0.3 m, and 1mm thick, the size of earth air heat exchanger along 26.5 m, diameter 4” and with thickness 3mm. In the simulation result, the system succeededin decreasing the room temperature up to 27,883^oC at simulation and 25,2653 ^oC on the experimental result whereas in the earth air heat exchanger the outlet temperature was 26,33 ^oC at simulation, and 27,3507 ^oC on the experimental result.

Keywords : Renewable Energy, Passive cooling, Ansys 19.0 : Student Version, Earth Air Heat Exchanger, Solar Chimney.

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “SIMULASI SISTEM GABUNGAN ALAT PENUKAR KALOR UDARA-TANAH DAN SOLAR CHIMNEY PADA RUANGAN UJI DENGAN MENGGUNAKAN CFD”

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Saya menyadari bahwa penyusunan skripsi ini tidak lepas dari bantuan banyak pihak yang telah memberikan masukan kepada saya. Untuk itu saya mengucapkan terimakasih kepada :

1. Kedua orang tua saya, Drs.Rasman Pinem dan drg.Ernesta Erni Ginting serta adik saya Grisella Febiolla Pinem dan segenap keluarga besar yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang selalu mendukung, memotivasi secara materiil,moral dan spritual.

2. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Terang UHSG Manik, ST. MT selaku Dosen pembimbing dan selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara yang membimbing dan memberikan banyak pengetahuan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan saya selama saya kuliah.

5. Rekan satu tim skripsi yaitu Ericho Bastanta S.K, Evander Philip Hasibuan, dan Tumpal Ramos Simangunsong yang selalu menyemangati dan mendukung saya.

6. Monica Amanda Putri Ginting yang selalu mendukung dan menyemangati saya dengan sabar.

7. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2014, para abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin terkhusus “Menerjang Badai” yang selalu mendukung dan memberi semangat serta nasihat kepada saya.

Saya menyadari bahwa masih banyak kekurangan dari skripsi ini, baik dari segi materi maupun teknik penyajiannya, mengingat kurangnya pengetahuan dan pengalaman saya. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang

Semoga skripsi ini dapat dimanfaatkan sebaik-baiknya dalam menumbuhkan suasana ilmiah di lingkungan Teknik Mesin USU.

Medan, Juli 2018

Bastian Resta Pinem 140401068

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR NOTASI ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah Penelitian ... 3

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Energi Surya ... 5

2.1.1 Dasar Teori Energi Surya ... 5

2.2 Solar Chimney ... 6

2.3 Perpindahan Panas ... 8

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 8

2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 10

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 10

2.4 Alat Penukar Kalor (APK) ... 11

2.4.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 12

2.5 Alat Penukar Kalor Udara Tanah (EAHE) ... 13

2.6 Kenyamanan Termal dalam Ruangan ... 15

2.7 Passive Cooling ... 17

2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 19

2.8.1 Penggunaan CFD ... 20

2.8.2 Manfaat CFD ... 20

2.8.3 Proses Simulasi CFD ... 21

2.8.4 Metode Disktritisasi CFD ... 22

2.9 Persamaan Pembentuk Aliran (Governing Equation) ... 23

2.9.1 Hukum Kekekalan Massa ... 23

2.9.2 Hukum Kekekalan Momentum ... 24

2.9.3 Hukum Kekekalan Energi ... 25

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 28

3.1 Objek Penelitian ... 28

3.2 Tempat & Waktu Penelitian ... 28

3.3 Peralatan Simulasi ... 28

3.3.1 Perangkat Lunak (Software) ... 28

3.3.2 Perangkat Keras (Hardware) ... 30

3.4 Skematik Sistem ... 31

3.5 Diagram Penelitian ... 31

3.6 Persiapan Perhitungan Simulasi ... 34

3.6.1 Penggambaran Gemetri 3D ... 35

BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 37

4.1 Kondisi Batas dan Meshing pada Perangkat Lunak Ansys 19.0 ... 37

4.2 Tabel dan Grafik Hasil Pengujian ... 40

4.3 Hasil Perhitungan Simulasi ... 43

4.3.1 Simulasi pada Solar Chimney ... 43

4.3.2 Simulasi pada APK ... 49

4.3.3 Simulasi pada Ruangan ... 53

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 58

5.1 Kesimpulan ... 58

5.2 Saran ... 59

DAFTAR PUSTAKA ... xiv LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Jarak Matahari ke Bumi ... 5

Gambar 2.2. Solar Chimney ... 7

Gambar 2.3. Solar Chimney Sebagai Passive Cooling ... 7

Gambar 2.4. Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Plat ... 9

Gambar 2.5. Perpindahan Panas Konduksi ... 9

Gambar 2.6. Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural ... 10

Gambar 2.7. Skema Perpindahan Panas Radiasi... 11

Gambar 2.8. Skema EAHE ... 13

Gambar 2.9. Siklus Terbuka ... 14

Gambar 2.10. Siklus Tertutup ... 14

Gambar 2.11. Sistem Pendinginan Pasif ... 18

Gambar 2.12. Elemen Konservasi Massa Fluida pada Bidang 3 Dimensi ... 23

Gambar 2.13 Sebuah Momentum Elemen Fluida Konservasi Dalam Kasus Tiga Dimensi ... 24

Gambar 2.14. Usaha yang Dihasilkan oleh Gaya pada Sumbu x ... 25

Gambar 2.15. Aliran Panas di Permukaan Elemen Fluida ... 26

Gambar 3.1. Trade Mark Solidworks 2016 ... 29

Gambar 3.2. Ansys 19.0 ... 29

Gambar 3.3. Diagram Skematik Sistem Pendingin Ruangan ... 31

Gambar 3.4. Digram Penelitian ... 32

Gambar 3.5. Alur Persiapan Simulasi ... 34

Gambar 3.6. Geometri Alat Penukar Kalor Tanah Udara ... 35

Gambar 3.7. Geometri Ruangan Uji ... 35

Gambar 3.8. Geomteri Solar Chimney ... 36

Gambar 3.9. Geometri Sistem Keseluruhan... 36

Gambar 4.1. Meshing APK Udara Tanah ... 38

Gambar 4.2. Meshing APK Udara Tanah ... 38

Gambar 4.3. MeshingRuangan Uji ... 39

Gambar 4.4. Meshing Ruangan Uji ... 39

Gambar 4.5. MeshingSolar Chimney ... 40

Gambar 4.6. Grafik Hasil Pengujian APK ... 41

Gambar 4.7. Grafik Hasil Pengujian Ruangan ... 42

Gambar 4.8a. Kontur Temperatur Maksimum pada Solar Chimney ... 43

Gambar 4.8b. Kontur Kecepatan Maksimum pada Solar Chimney ... 43

Gambar 4.9. Kontur Temperatur Maksimum pada Solar Chimney ... 44

Gambar 4.10. Mass Flow Rate ... 44

Gambar 4.11a. Kontur Temperatur Minimum pada Solar Chimney ... 45

Gambar 4.11b. Kontur Kecepatan Minimum pada Solar Chimney ... 45

Gambar 4.12. Kontur Temperatur Minimum Solar Chimney ... 45

Gambar 4.13. Mass Flow Rate ... 46

Gambar 4.14a. Kontur Temperatur Rata-rata pada Solar Chimney ... 46

Gambar 4.14b. Kontur Kecepatan Rata-rata pada Solar Chimney ... 46

Gambar 4.15. Kontur Temperatur Solar Chimney ... 47

Gambar 4.16. Mass Flow Rate ... 47

Gambar 4.17. Kontur Tekanan pada Solar Chimney ... 48

Gambar 4.18. Kontur Tekanan pada Solar Chimney ... 49

Gambar 4.19. Temperatur Maksimum Volume Rendering ... 50

Gambar 4.20. Temperatur Maksimum pada Outlet ... 51

Gambar 4.21a. Volume Rendering Temperatur Rata-rata APK... 51

Gambar 4.21b. Volume Rendering Temperatur Minimum APK ... 51

Gambar 4.22. Temperatur Rata-rata pada Outlet ... 52

Gambar 4.23. Temperatur Minimum pada Outlet... 52

Gambar 4.24. Aliran Udara pada Ruangan ... 54

Gambar 4.25. Kontur Temperatur Awal pada Ruangan ... 54

Gambar 4.26. Kontur Temperatur Awal pada Ruangan Maksimum ... 65

Gambar 4.28. Kontur Temperatur Minimum pada Ruangan ... 56 Gambar 4.29. Kontur Temperatur Rata-rata pada Ruangan ... 56

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Kecepatan angin dan temperatur udara ... 16

Tabel 3.1. Spesifikasi komputer untuk menggambar ... 30

Tabel 3.2. Spesifikasi komputer untuk simulasi ... 30

Tabel 3.3. Keterangan penamaan sensor pengukuran pada ruangan ... 31

Tabel 4.1. Data Hasil Pengujian APK udara-tanah ... 41

Tabel 4.2. Data Hasil Pengujian Ruangan... 42

Tabel 4.3. Data Hasil Pengujian Solar Chimney ... 43

Tabel 4.4. Data Simulasi Solar Chimney ... 48

Tabel 4.5. Data Hasil Pengujian APK ... 50

Tabel 4.6. Data Simulasi APK ... 53

Tabel 4.7. Data Hasil Pengujian Ruangan... 53

Tabel 4.8. Data Hasil Simulasi Ruangan... 57

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

Cp Panas Jenis J/kg.K

T Temperature K

∆T Perbedaan Temperature K

Q Laju Perpindahan Panas W

k Konduktivitas Termal W/m.K

A Luas Penampang m²

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m² K

Qs Kalor Sensibel W

Q_L Kalor Laten W

V Kecepatan Aliran Udara m/s

u Kecepatan Terhadap sumbu-x m/s

v Kecepatan Terhadap sumbu-y m/s

w Kecepatan Terhadap sumbu-z m/s

t waktu s

Huruf Yunani

𝜌𝜌 Massa Jenis kg/m³

𝜀𝜀 Emisivitas

𝜎𝜎 Konstanta Stefan Boltzman (5,57 x 10⁸ ) W/m².K

Subskrip

In Masuk Out Keluar Soil Tanah Ch Chanell

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi yang sangat besar merupakan masalah utama yang sedang dihadapi manusia zaman sekarang. Semakin berkembang zaman dan semakin banyaknya manusia akan membuat kebutuhan energi semakin besar.

Salah satu cara lama untuk mengatasi kebutuhan energi ini adalah dengan mengolah dari bahan bakar fosil untuk menjadi energi. Akan tetapi bahan bakar fosil ini menghasilkan efek negative bagi bumi, dan juga bahan bakar fosil ini terbatas ketersediaannya. Secara umum bahan bakar fosil akan menyebabkan pencemaran lingkungan karena selain menghasilkan energi bahan bakar fosil juga melepaskan gas berupa Karbon Dioksida (CO2), Nitrogen Oksida (NO2), dan Sulfur Oksida (SO2) yang dapat menyebabkan hujan asam, dan pemanasan global.

Oleh karena itu, banyak peneliti yang mencari sumber energi alternatif yang dimana ketersediaannya tidak terbatas dan juga tidak menyebabkan pencemaran lingkungan. Beberapa penemuan itu adalah berupa pembangkit listrik tenaga angin, dan pembangkit listrik tenaga surya yang dimana kedua pembangkit ini memerlukan angin dan cahaya matahari untuk dapat membangkitkan listrik.

Seperti yang sudah kita ketahui, angin dan cahaya matahari merupakan sesuatu yang bisa kita dapat secara gratis, ketersediaannya tidak terbatas, dan juga tidak menyebabkan pencemaran lingkungan. Solar chimney merupakan salah satu solusi untuk menjadi energi alternatif yang dimana solar chimney mengandalkan panas matahari untuk memanaskan cerobong yang dimana karena perbedaan tekanan yang terjadi akan membuat udara mengalir keatas.

Solar chimney pada umumnya digunakan untuk memutarkan turbin yang akan menghasilkan energi listrik. Akan tetapi ada solar chimney ini juga dapat dimanfaatkan untuk mendinginkan suatu ruangan. Seperti yang diketahui, untuk mendinginkan suatu ruangan akan diperlukan Air Conditioner (AC) dan Air Conditioner inimenghasilkan zat KloroFluoroKarbon (CFC) yang zat tersebut akan membuat lapisan ozon bumi menjadi berlubang sehingga sehingga radiasi

sinar UV-B akan langsung menembus bumi yang dimana radiasi ini dapat membuat kanker kulit.

Pemanfaatan solar chimney sebagai pendingin ruangan akan digabungkan dengan APK udara-tanah. Gabungan dari kedua sistem ini akan dapat membuat sebuah ruangan yang nyaman dan tidak panas tanpa harus memakai energi listrik dan tanpa harus menghasilkan zat berbahaya seperti CFC. Pada umumnya saat solar chimney digunakan sebagai pendingin ruangan maka sistem tersebut dapat dinamakan passive cooling.

Pada saat ini, Metode Perhitungan Dinamika Fluida (Computational Fluid Dynamic) atau yang biasa disingkat dengan CFD merupakan salah satu cara terbaik untuk dapat membuktikan bahwa suatu sistem dapat bekerja dengan maksimal tanpa harus membuatnya terlebih dahulu. CFD adalah sekumpulan metodologi yang menggunakan perangkat komputer untuk melakukan simulasi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan lainnya dengan memecahkan persamaan Navier-Stokes secara numerik. Dengan bantuan CFD dapat dilihat bagaimana penyebaran temperatur, penyebaran tekanan, dan arah aliran udara pada sistem gabungan solar chimney dan APK udara-tanah.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Untuk mengetahui perbandingan temperature pada ruangan uji dari hasil eksperimental dengan hasil simulasi dengan menggunakan Ansys 19.0 : Student Version.

2. Untuk mengetahui perbandingan laju aliran massa pada Solar Chimney dari hasil teoritis dan simulasi.

3. Untuk mengetahui besar penurunan temperature yang terjadi pada Alat Penukar Kalor udara tanah dengan menggunakan metode perhitungan dinamika fluida.

4. Mengetahui kontur perbedaan tekanan yang terjadi pada Solar Chimney.

1.3 Batasan Masalah Penelitian

1. Kehilangan panas pada pipa APK udara-tanah menuju ruangan diabaikan.

2. Temperatur ruangan normal pada saat pengujian belum berjalan dianggap sebesar 29^oC.

3. Temperatur dalam pipa dianggap seragam dalam sumbu aksial.

4. Lokasi penelitian 3,43⁰LU dan 98,44⁰BT.

5. Melakukan analisis metode perhitungan dinamika fluida menggunakan perangkat lunak Ansys 19.0 : Student Version dengan asumsi :

a. Temperatur tanah dianggap sama merata sepanjang pipa APK udara- tanah

b. Kondisi simulasi yang dilakukan adalah steady c. Jenis Simulasi diasumsikan k – Ɛ.

d. Simulasi dilakukan secara terpisah dengan mengganggap kecepatan udara masuk sebesar 0.1m/s

1.4 Manfaat Penelitian

1. Untuk mengetahui berapa penurunan temperatur yang terjadi pada ruangan yang didapatkan dengan menggunakan Metode Perhitungan Dinamika Fluida

2. Untuk membuat pendingin ruangan dengan menggunakan energi yang terbarukan dan tidak membuat pencemaran lingkungan.

1.5 Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu :

BAB I : PENDAHULUAN

Pada bab ini dibahas mengenai latar belakang penelitian, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapat dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari: buku – buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, dan e-book.

BAB III : METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini dibahas mengenai tahapan persiapan sebelum pengujian langkah- langkah pengerjaan penelitian dan analisa data yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan.

BAB IV : ANALISA DATA

Pada bab ini dibahas dan dianalisis mengenai data-data yang telah peroleh seperti temperatur, tekanan dan kecepatan udara mengalir dari sistem yang sudah dibangun.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi kesimpulan dari hasil analisa dan juga saran-saran untuk penyempurnaan penelitian berikutnya.

DAFTAR PUSAKA LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Surya

Matahari adalah salah satu komponen utama penggerak kehidupan. Siklus alam seperti angin, air, dan juga siklus dalam tumbuhan yaitu fotosintesis, semuanya melibatkan peranan matahari, baik dari akibat posisi matahari terhadap bumi, maupun akibat radiasi matahari yang sampai ke bumi. Energi surya merupakan energi terbarukan yang berupa sinar dan panas dari matahari. Energi ini dapat dimanfaaatkan untuk berbagai macam seperti pemanas air tenaga surya, sistem passive cooling, penghasil listrik tenaga surya, dan lain-lain.

Secara umum, pemanfaatan energi surya dapat dikategorikan menjadi dua kelompok, yaitu teknologi pemanfaatan aktif dan teknologi pemanfaatan pasif.

Contoh pemanfaatan energi surya secara aktif adalah penggunaan panel photovoltaik yang dapat mengubah energi surya menjadi energi listrik. Contoh pemanfaatan energi surya secara pasif adalah penggunaan solar chimney sebagai perancangan sirkulasi udara alami pada suatu ruangan.

2.1.1 Dasar Teori Energi Surya

Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan bebentuk ellips dan matahari berada pada salah satu pusaatnya. Matahari (surya) mempunyai diameter 1,39X10⁹ m, dan matahari memiliki jarak rata-rata ke permukaan bumi adalah 1,495X10¹¹ m. Waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi adalah sekitar 8 menit 20 detik^.[6]

Gambar 2.1. Jarak Matahari ke Bumi

Karena lintasan bumi berbentuk ellips, maka jarak matahari dari bumi tidak tetap. Jarak terdekat adalah 1,47 X 10¹¹ m yaitu terjadi pada 3 Januari dan jarak terjauh adalah 1,52 X 10¹¹ m yaitu pada 4 Juli. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi di permukaan di luar atmosfer akan berbeda setiap hari. Berikut ini adalah definisi yang akan ditemukan dalam radiasi energi surya^[1]:

1. Air mass, m

Air mass adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar matahari tepat pada posisi zenit.

2. Beam Radiation

Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).

3. Diffuse Radiation

Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

4. Total Radiation

Total Radiation adalah jumlah Beam dan Diffuse Radiation.

5. Irradiance [W/m²]

Irradiance adalah laju energi radiasi yang diterima oleh suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut juga dengan intensitas radiasi

6. Irradiation atau Radian Exposure [J/m²]

Jumlah energi radiasi yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu.

7. Jam Matahari

Jam matahari adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (Standard time, disimbolkan STD).

2.2 Solar Chimney

Solar Chimney merupakan sebuah sistem yang prosesnya mengubah energi radiasi matahari menjadi udara yang akan mengalir. Solar Chimney ini terdapat 2 fungsi yang bisa dimanfaatkan yaitu yang pertama Solar Chimney

menjadi pendingin ruangan ( Passive Cooling) dan Solar Chimney yang digunakan untuk membangkitkan listrik.^[2]

Gambar 2.2. Solar Chimney^[2]

Solar Chimney yang digunakan untuk membangkitkan listrik, pada umumnya memiliki komponen kincir-kincir yang akan berputar pada saat udara mengalir melewati cerobong (chimney). Prinsip dasar kerja Solar Chimney sebagai pembangkit listrik adalah, udara panas yang dipanaskan oleh radiasi matahari akan cenderung bergerak keatas dan keluar melewati cerobong. Pada cerobong tersebut telah dipasang sebuah kincir-kincir, dimana pada saat udara yang bergerak keatas akan memutar dan menggerakkan kincir-kincir, sehingga dapat menghasilkan listrik.^[3]

Gambar 2.3. Solar Chimney sebagai Passive Cooling

Solar Chimney yang digunakan sebagai pendingin (Passive Cooling) prinsip kerja dan komponennya lebih sederhana daripada Solar Chimney sebagai pembangkit listrik. Prinsip kerja Solar Chimney sebagai pendingin adalah

menghisap udara panas yang ada di dalam ruangan sehingga membuat udara dalam ruangan bersikulasi dengan udara lingkungan seperti yang ada pada gambar 2.3. di atas. Komponen yang dibutuhkan hanya cerobong dimana tempat udara mengalir keluar.

2.3 Perpindahan Panas

Perpindahan energi dalam bentuk kalor atau panas antara fluida atau benda yang berbeda temperatur disebut sebagai perpindahan panas. Perpindahan panas ini akan berlangsung secara terus menerus sehingga kedua fluida atau benda dapat mencapai keseimbangan energi sesuai dengan hukum Azas Black yaitu ”Kalor yang diterima akan sama dengan kalor yang diserap”. Kalor terbagi menjadi 2 jenis yaitu kalor laten dan kalor sensibel, kalor laten adalah kalor yang dibutuhkan untuk berubah fasa contohnya dari padat menjadi cair. Sedangkan kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau dilepaskan oleh suatu jenis fluida tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.^[4]

Berikut ini adalah persamaan kalor laten dan kalor sensibel :

Qs = 𝑚𝑚̇ Cp ∆T ... (2.1)

QL = 𝑚𝑚̇ L^e ... (2.2)

Dimana :

Qs = Kalor sensibel (W)

𝑚𝑚̇ = Laju aliran massa zat (kg/s)

Cp = kapasitas kalor spesifik sensibel (kJ/kg.K)

∆T = beda temperatur (K) QL = kalor laten (W)

Le = kapasitas kalor spesifik laten. (kJ/kg)

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas dari partikel yang lebih panas ke partikel yang lebih dingin sebagai hasil dari interaksi antata partikel tersebut. Karena partikelnya tidak berpindah, umumnya konduksi terjadi pada medium padat, tetapi bisa juga

fluida seperti cari dan gas. Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antar partikel tanpat diikuti perpindahan partikelnya. Berdasarkan percobaan, dapat dibuktikan bahwa laju perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat tergantung pada perbedaan temperatur plat,bentuk geometri, dan sifat materialnya

[5].

Gambar 2.4. Perpindahan Panas Konduksi Melalui Sebuah Plat^[5]

Laju perpindahan panas konduksi dapat diperoleh dengan persamaan ^[6]

q_c= -k A (^∆𝑇𝑇

𝑋𝑋) ... (2.3) Dimana :

q_c = Laju Perpindahan Panas (Watt) k = Konduktivitas Termal (W/m.K)

A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m²)

∆T = Perbedaan temperatur (K) X = Panjang laluan panas (m)

Gambar 2.5. Perpindahan Panas Konduksi (sumber :https://id.wikipedia.org/wiki/Konduksi_panas) 2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas antara permukaan padat yang berbatasn dengan fluida yang mengalir. Fluida disini bisa dalam fasa gas ataupun fasa cair. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida ^[5].

Persamaan laju perpindahan panas secara konveksi secara umum^[7] :

𝑞𝑞𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = h A (∆T) ... (2.4)

Dimana :

𝑞𝑞𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = Laju perpindahan panas konveksi (Watt) h = Koefisien perpindahan panas (W/m² K)

Perpindahan panas konveksi ini juga dapat dibedakan menjadi dua, yaitu perpindahan panas konveksi bebas dan perpindahan panas konveksi paksa.^[2]

Perpindahan konveksi bebas terjadi apabilan perpindahan panas berlangsung secara alamiah tanpa ada bantuan alat untuk mengalirkan fluida di atas permukaan padat. Sementara perpindahan konveksi paksa terjadi apabila gerakan fluida dibantu dengan alat, misalnya kompresor,blower,dll.

Gambar 2.6. Perpindahan Panas Konveski Paksa dan Konveksi Natural 2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah panas yang dipindahkan dengan cara memancarkan gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan mekanisme konduksi

dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya sinar matahari ke permukaan bumi adalah contoh paling jelas dari perpindahan panas radiasi ^[5].

Laju perpindahan panas radiasi dapat ditulis sebagai berikut ^[7]:

𝑞𝑞𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐= 𝜀𝜀. 𝜎𝜎. 𝐴𝐴 (𝑇𝑇₁⁴− 𝑇𝑇₂⁴) ... (2.5)

Dimana :

𝑞𝑞𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐 = Laju perpindahan panas radiasi (W) 𝜀𝜀 = Emisivitas (untuk benda hitam ; 1)

𝜎𝜎 = Konstanta Stefan Boltzman (5,57 x 10⁸ W/m².K) A = Luas Permukaan (m²)

Gambar 2.7. Skema Perpindahan Panas Radiasi ^[1]

2.4 Alat Penukar Kalor (APK)

Alat penukar kalor adalah suatu alat yang berfungsi untuk menukar kalor (panas) diantara dua fluida yang berbeda dalam hal temperatur namun kedua fluida tersebut dijaga agar tidak bercampur^[7]. Alat penukar kalor biasanya digunakan dalam rentang aplikasi yang luas dari memanaskan atau sistem pengkondisian udara dalam bangunan, proses kimia dan pembangkit tenaga di pabrik besar.

Perpindahan panas yang ada pada alat penukar kalor dapat terjadi secara konveksi antara masing-masing fluida dan konduksi yang terjadi pada sepanjang dinding yang memisahkan kedua fluida. Dalam analisis alat penukar kalor, dikenal koefisien perpindahan panas menyeluruh (Overall Heat Transfer Coefficient) yang memperhitungkan semua efek yang terjadi pada perpindahan

panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada suatu titik yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor.^[7] Pada saat menganalisis alat penukar kalor, pada umum dapat digunakan metode LMTD (logatirhmic mean temperature difference), yang sebanding dengan perbedaan temperatur rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor.

2.4.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Ada berbagai macam aplikasi alat penukar kalor, hal ini tentu membutuhkan material dan konfigurasi yang berbeda-beda. Oleh karena itu muncul berbagai macam desain alat penukar kalor yang inovatif dan bermanfaaat yang dimana memiliki tujuan untuk memenuhi kebutuhan.

Berdasarkan kontak dengan fluida, alat penukar kalor dapat kita bedakan menjadi 2 macam, yaitu antara lain ^[6] :

1. Alat penukar kalor kontak langsung. Pada alat penukar kalor kontak langsung ini fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu wadah. Contohnya adalah deaerator

2. Alat penukar kalor kontak tak langsung. Pada alat ini fluida panas tidak berhubung langsung (indirect contact) dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau peralatan jenis lainnya.

Berdasarkan tipe aliran di dalam alat penukar kalor ini, dapat terbagi menjadi 4 macam aliran, yaitu ^[6]:

1. Counter current flow (aliran berlawan arah) 2. Paralel flow/co current flow (aliran searah) 3. Cross flow (aliran silang)

4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan)

Selain alat penukar kalor yang dapat dibagi berdasarkan aliran, alat penukar kalor juga memiliki 4 jenis, yaitu ^[6] :

1. Tubular Heat Excanger 2. Plate Heat Exchanger

3. Shell and Tube Heat Exchanger 4. Jacketed Vessel

2.5 Alat Penukar Kalor Udara Tanah (EAHE)

Pipa yang ditanam dibawah tanah yang dimana berfungsi untuk menjadi suatu pendingin atau biasa juga dikenal Earth Air Heat Exchanger (EAHE) adalah salah satu bagian dari alat penukar kalor yang bermanfaat. Biasanya pipa terbuat dari pipa Polivynyl chloride (PVC), Hight Density Polyrthylene (HDPE) maupun pipa galvanis yang ditanam pada kedalaman tertentu. Prinsip kerja sebuah sistem alat penukar kalor udara cukup sederhana. Media tanah dimanfaatkan sebagai penyimpan sumber panas.^[3]

Radiasi matahari adalah energi yang sangat berlimpah dan memiliki potensi pengaplikasian yang sangat luas sehingga dimungkinkan untuk menangkap dan mengubahnya menjadi bentuk lain energi lain^[8]. Tanah menerima radiasi dari matahari pada permukaannya dan bertindak sebagai reservoir energi surya. Besarnya daya tampung energi termal dari tanah mendorong para peneliti untuk memanfaatkan tanah sebagai penyerap panas melalui sistem pipa yang ditanam. Pada sistem pipa yang ditanam, energi panas konstan dan tersimpan pada tanah di kedalaman tertentu dapat dimanfaatkan dengan menggunakan alat penukar kalor antara tanah dengan udara.

Pada musim panas, udara hangat melepaskan panasnya ke dinding pipa melalui konveksi dan kemudian akan terserap ke tanah melalui konduksi. Udara keluar akan lebih dingin dari udara ligkungan dan dapat digunakan langsung untuk mendinginkan ruangan apabila temperaturnya cukup tendah^[8].

Gambar 2.8. Skema EAHE ^[8]

Alat penukar kalor antara udara-tanah (EAHE) dapat dibagi menjadi 2 siklus, yaitu siklus terbuka dan siklus tertutup. Pada siklus terbuka, udara dari lingkungan dialirkan kedalam piipa dan dihantarkan langsung kedalam suatu ruangan ataupun suatu gedung

Gambar 2.9. Siklus Terbuka^[8]

Sementara pada alat penukar kalor udara-tanah siklus tertutup, udara pada sebuah ruangan/gedung akan disirkulasikan melalui alat penukar kalor udara- tanah seperti yang ada pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.10. Siklus Tertutup^[8]

Berdasarkan eksperimental dan secara teoritis ada beberapa parameter yang berpengaruh pada desain dan performansi dari sebuah sistem alat penukar kalor udara-tanah^[8]. Parameter-parameter tersbut adalah :

1. Panjang pipa 2. Diameter pipa 3. Material pipa 4. Debit aliran udara 5. Kecepatan udara 6. Siklus sistem 7. Sifat termal tanah 8. Kondisi geografis

2.6 Kenyamanan Termal dalam Ruangan

Kenyamanan termal menurut Szokolay (1973) pada ”Manual of Tropical Housing and Building” merupakan proses yang melibatkan kondisi fisik fisiologis dan psikologis. Kenyamanan termal adalah pemikiran atau refleks seseorang yang mengekspresikan tentang kepuasan dirinya terhadap lingkungan termalnya.

ASHRAE (American Society of Heating Refrigating Air Conditioning Engineer) mendefinisikan kenyamanan termal sebagai suatu kondiisi dimana ada kepuasan terhadap keadaan termal disekitarnya^[9]. Sedangkan kenyamanan termal menurut Snyder (1989) merupakan keadaan suatu lingkungan/alam yang dapat mempengaruhi manusia. Dari tiga pernyataan yang terdapat di atas dapat disimpulkan bahwa kenyamanan termal merupakan rumusan empirik yang merupakan sebuah pengalaman/perasaan terhadap kondisi lingkungan sekitar yang dimana dapat dirasakan berbeda antara satu orang dengan yang lainnya.

Dalam menentukan kenyaman sebuah area/ruangan , dapat dinyatakan dengan melihat persepsi dominan yang dirasakan oleh sekelompok sampel pada area/ruangan tersebut

Kondisi kenyaman termal juga dipengaruhi oleh faktor individu dan faktor iklim. Faktor individu yang menentukan keadaan temperatur nyaman adalah jenis aktivitas yang dilakukan seperti, duduk, tidur, berdansa, dan juga jenis pakaian

yang digunakan. Sedangkan faktor iklim yang mempengaruhi kondisi termal terdiri dari: temperatur udara, kecepatan angin, dan kelembaban udara relatif^[10]. 1. Temperatur udara

Temperatur udara antara suatu daerah dengan daerah lainnya pada umumnya sangat berbeda. Perbedaan ini ada beberapa faktor penyebabnya, seperti sudut datang sinar matahari, ketinggian suatu lokasi, arah angin, awan, dan lamanya penyinaran sinar matahari.

Untuk kenyamanan termal daerah bagian tropis dapat terbagi menjadi tiga bagian, yaitu sejuk nyaman, nyaman optimal, dan hangat nyaman. Sejuk nyaman temperatur efektifnya diantara 20,5⁰C – 22,8⁰C, nyaman optimal temperatur efektifnya diantara 22,8⁰C - 25,8⁰C, dan untuk hangat nyaman temperatur efektifnya diantara 25,8⁰C – 27,1⁰C.

2. Kelembaban udara

Kelembaban udara 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. Kelembaban pada suatu ruangan akan mempengaruhi pelepasan kalor dari tubuh manusia.

Kelembaban udara yang tinggi akan menyebabkan kalor di dalam tubuh manusia sulit dilepaskan sehingga dapat menyebabkan kondisi yang kurang nyaman.

Untuk dapat mengimbangi kondisi kelembaban yang tinggi maka dibutuhkan kecepatan angin yang cukup di dalam ruangan.

Untuk daerah tropis, kelembaban udara relatif yang dianjurkan antara 40%-50%, tetapi untuk ruangan yang jumlah orangnya banyak seperti ruangan rapat, kelembaban udara yang dianjurkan adalah sekitar 55%-60%^[9].

3. Kecepatan angin

Menurut Satwiko (2009) angin adalah udara yang bergerak yang disebabkan adanya gaya yang diakibatkan perbedaan tekanan dan perbedaan temperatur. Peranan udara yang bergerak ini sangat membantu untuk dapat mempercepat pelepasan kalor pada permukaaan kulit. Akan tetapi jika angin terlalu kencang, maka akan menyebabkan ketidaknyamanan juga. Kecepatan angin juga bergantung pada temperatur udara seperti tabel di bawah ini^[9].

Tabel 2.1. Kecepatan angin dan temperatur udara

Kecepatan angin (m/s) 0,1 0,2 0,25 0,3 0,35 Temperatur udara (⁰C) 25 26,8 26,9 27,1 27,2

4. Aktivitas individu dan pakaian yang digunakan

Aktivitas yang dilakukan individu akan meningkatkan proses metabolisme tubuhnya. Semakin tinggi intensitas aktivitas yang dilakukan, maka semakin besar peningkatan metabolisme yang terjadi di dalam tubuh sehingga jumlah energi panas yang dikeluarkan semakin besar. Faktor lain yang mempengaruhi kenyamanan termal adalah jenis dan bahan pakaian yang digunakan. Besarnya kalor yang dilepas oleh tubuh, selain dipengaruhi dari aktivitas dipengaruhi juga oleh jenis pakaian yang sedang dipakai pada saat itu.

2.7 Passive Cooling

Passive Cooling atau pendinginan pasif adalah desain atau rancangan suatu gedung atau ruangan yang berfokus untuk dapat mengontrol panas dan pembuangan panas dalam gedung atau ruangan untuk dapat meningkatkan kenyamanan termal dalam suatu gedung atau ruangan dengan menggunakan energi yang sedikit atau sama sekali tidak menggunakan energi.^[11] Indonesia merupakan wilayah tropis yang harus membutuhkan banyak sistem pendingin agar kondisi dalam gedung tetap nyaman.

Istilah “pasif” menyatakan bahwa pemakaian komponen mekanis seperti blower, pompa, dan lain sebagainya tidak digunakan. Pendinginan pasif pada umumnya desain bangunan yang mencoba untuk mengintergrasikan prinsip- prinsip ilmu fisika kedalam bangunan atau ruangan untuk dapat memperlambat proses perpindahan panas kedalam gedung atau ruangan dan juga untuk menghilangkan panas yang tidak dibutuhkan dari dalam gedung atau ruangan.

Ada beberapa keuntungan dari pemakaian pendinginan pasif, yaitu :

1. Menyelamatkan bumi dari polusi yang disebabkan dari efek negatif pemakaian ac

2. Memberikan kenyamanan dalam ruangan 3. Biaya perawatan yang ekonomis

4. Konsumsi energi yang sedikit atau sama sekali tidak ada 5. Biaya perancangan yang lebih ekonomis

Pada umumnya metode atau cara yang paling efektif untuk dapat mengurangi atau menghilangkan panas yang tidak diinginkan dari sebuah gedung atau ruangan adalah pemakaian pendingin mekanis yaitu Air Conditioning (AC).

Akan tetapi seperti yang kita ketahui, selain pemakaian AC memerlukan energi listrik yang cukup besar AC juga mengeluarkan CFC yang dapat menyebabkan pemanasan global.

Gambar 2.11. Sistem Pendinginan Pasif

Di atas merupakan gambar dari salah satu sistem pendinginan pasif yaitu sistem gabungan solar chimney dan alat penukar kalor tanah-udara. Dimana seperti yang sudah dijelaskan pada sub bab sebelumnya, alat penukar kalor tanah- udara berfungsi mendinginkan udara yang dialirkan melalui pipa menuju suatu gedung atau ruangan dan agar alat penukar kalor tanah-udara ini dapat bekerja tanpa harus menggunakan fan atau blower maka sistem ini digabungkan dengan solar chimney. Solar chimney ini akan membuat efek penghisapan pada ruangan karena seperti yang kita ketahui, udara panas yang dipanaskan oleh solar chimney memiliki densitas yang lebih kecil daripada udara yang lebih dingin yang berada di dalam ruangan. Hal tersebut membuat udara yang berada di dalam ruangan dan

udara di lingkungan yang berada disekitar inlet alat penukar kalor tanah-udara akan terhisap. Sehingga pada saat solar chimney bekerja udara akan masuk melalui inlet alat penukar kalor tanah-udara masuk ke dalam ruangan dan akan keluar melalui solar chimney.

2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD)

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik untuk dapat menyelesaikan dan menganalisa elemen-elemen yang akan disimulasikan. Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cari maupun gas adalah suatu zat yang sangat lazim dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran pada motor bakar, aliran kompleks pada alat penukar kalor, reaktor kimia, dan lain-lain. Prinsip kerja pada CFD adalah model yang akan kita simulasikan berisi fluida akan dibagi menjadi beberapa bagian atau elemen. Elemen-elemen yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol perhitungan yang akan dilakukan oleh software selanjutnya elemen diberi batasan doman dan boundary condition.

Prinsip ini lah yang banyak digunakan pada proses perhitungan dengan menggunakan bantuan komputasi^.[12]

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

• Computational :segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi

• Fluid Dinamyc :dinamika dari segala sesuatu yang mengalir Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk dapat mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat yang mengalir.

Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya

dengan cara menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Pengembangan sebuah perangkan lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, dan struktur. Dengan menggunakan software ini, kita dapat membuat virtual prototype dari sebuah sistem yang ingin kita analisan dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan.

Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan terkenal pada tahun70-an.

Awal pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan perkembangannya industri ditahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan daripada berbagai aplikasi lainnya. Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD yang menyertakan konsep pemakaian konsep CFD yang dapat dipakai untuk menganalisa stress dan analisa aliran fluida yang terjadi pada desain yang dibuat.^[12]

2.8.1 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya, CFD dapat digunakan untuk :

1. Insinyur, khususnya dalam hal teknik refrigerasi dan pengkondisian udara untuk mendesain tempat atau ruangan sesuai dengan kebutuhan seperti refrigerator, air-conditioner, termal strorage, dan lain sebagainya

2. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang nyaman 3. Desainer kendaraan untuk meningkatkan tingkat aerodinamiknya

4. Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan

5. Bidang kedokteran untuk menganalisa aliran darah dalam arterial (computational hemodynamics)

6. Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery

7. Bidang militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya

8. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panasmisalnya

9. Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingkatkan akan terjadinya bencana alam

Penggunaan CFD umumnya berhubung dengan keempat hal, yaitu : studi konsep dari desain baru, pengembangan produk secara detail, analisis kegagalan atau troubleshooting, dan desain ulang (re-design).

2.8.2 Manfaat CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yaitu : insight, foresight, dan efficiency (Firman Tuakia,2008).

1. Pemahaman Mendalam (Insight)

Apabila dalam mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototypenya-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya.

2. Prediksi Menyeluruh (Foresight)

Dikarenakan CFD adalah suatu perangkat lunak yang digunakan untuk memprediksi apa yang terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3. Efisiensi Waktu dan Biaya (Efficiency)

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis atau simulasi CFD akan mempersingkat waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

2.8.3 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi pada solver CFD, yaitu sebagai berikut^[12]:

1. Preprocessing

Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model pada CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudia menerapkan kondisi batas dan sifat-sifatnya.

2. Solving

Program inti pencari solusi CFD atau solvers menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.

3. Postprocessing

Ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterprestasi data hasil CFD yang biasa berupa kurva, gambar, dan animasi

Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, adalah sebagai berikut ^[15]:

• Pembuatan geometri dari model

• Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing)

• Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalpi + konversi zat-zat yang kita defenisikan

• Pendefinisian kondisi-kondisis batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model atau problem

• Persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iteratif

• Analisis dan visualisasi dari solusi CFD

2.8.4 Metode Diskritisasi CFD

Secara metematis, CFD mengganti persamaan-persamaan differensial parsial dari kontinuitas, momentunm dan energi dengan persamaan-persamaan aljarbar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga)^.[12]

Perhitungan atau komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan- persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :

• Metode beda hingga (finite difference method)

• Metode elemen hingga (finite element method)

• Metode volume hingga (finite volume method)

• Metode elemen batas (boundary element method)

• Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilah umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat program software yang ada. Oleh karena itu diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasu bagian yang kosong atau diskontinu.

2.9 Persamaan Pembentuk Aliran (Governing Equation)

Dasar dari persamaan pembentuk aliran fluida dan perpindahan panas dikembangkan dengan tiga hukum konsevasi fisika yaitu hukum kekekalan massa, hukum konservasi dari momentum, dan hukum kekekalan energi.

2.9.1 Hukum Kekekalan Massa

Bayangkanlah sebuah elemen fluida yang cukup kecil untuk dua dimensi dengan simbol ∂x dan ∂y seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.12 dimana konsep utamanya adalah laju kenaikan massa dalam volume yang terkontrol adalah sama dengan total laju aliran massa melalui sisi masuk dan keluar dari sistem tersebut.^[13]

∂M

∂t = ∑ 𝑚𝑚̇ − ∑_{𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑜𝑜} 𝑚𝑚̇ ... (2.6) Maka secara umum rumus kekekalan massa 3 dimensi setelah diturunkan dapat ditulis dengan :

∂ρ

∂t + 𝑜𝑜^∂ρ_∂x+ 𝑐𝑐^∂ρ_∂y+ 𝑤𝑤^∂ρ_∂z+ 𝜌𝜌 �^∂u_∂x+ ^∂v_∂y+ ^∂w_∂z� = 0 ... (2.11) Kemudian persamaan didefinisikan menjadi :

𝐷𝐷( )

𝐷𝐷𝑜𝑜 = ^{∂( )}_∂t + 𝑜𝑜^{∂( )}_∂x + 𝑐𝑐^{∂( )}_∂y + 𝑤𝑤^{∂( )}_∂z = 0 ... (2.12)

Gambar 2.12. Elemen Konservasi Massa Fluida pada Bidang 3 Dimensi

2.9.2 Hukum Kekekalan Momentum

Hukum ini juga dikenal sebagi hukum kedua Newton. Hukum tersebut mengatakan besar gaya resultan sebanding lurus dengan percepatan dan berbanding terbalik dengan massa. Elemen kecil dari fluida pada kasus dua dimensi dengan dimensi δx dan δypada gaya dalam arah sumbu x dan sumbu y yang hanya dipertimbangkan. Pada gambar tersebut hanya gaya pada arah sumbu x yang disajikan. Gaya yang terjadi pada permukaan adalah tekanan, tegangan normal dan distribusi tegangan. Pusat gaya ditulis dengan lambang f, didefinisikan menjadi unit massa pada bagian tengah dari elemen fluida. Pada kasus sebenernya dapat didefinisikan sebagai gravitasi, elektrikal, dan gaya magnetik.^[13]

Hukum kedua Newton dalam arah x dapat ditulis sebagai :

∑ 𝐹𝐹𝑥𝑥 = 𝑚𝑚. 𝑟𝑟𝑥𝑥 ... (2.13) Maka secara umum hukum kekalan momentum arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut ini :

𝑝𝑝 ^{𝐷𝐷𝑜𝑜}_{𝐷𝐷𝑜𝑜} =^∂p_∂x+ ^∂𝜎𝜎_∂x^{𝑥𝑥𝑥𝑥} + ^∂𝜏𝜏_∂y^{𝑦𝑦𝑥𝑥} + ^∂𝜏𝜏_∂z^{𝑧𝑧𝑥𝑥} + 𝜌𝜌𝑓𝑓_𝑥𝑥 ... (2.14a)

Gambar 2.13. Sebuah Momentum Elemen Fluida Konservasi Dalam Kasus Tiga Dimensi

Dengan menggunakan cara turunan yang sama, persamaan-persamaan pada arah y dan z adalah :

𝜌𝜌^{𝐷𝐷𝑐𝑐}_{𝐷𝐷𝑜𝑜} = − ^∂ρ_∂y+ ^∂𝜏𝜏_∂x^{𝑥𝑥𝑦𝑦} + ^∂𝜎𝜎_∂y^{𝑦𝑦𝑦𝑦} + ^∂𝜏𝜏_∂z^{𝑧𝑧𝑦𝑦} + 𝜌𝜌𝑓𝑓𝑦𝑦 ... (2.14b)

Dan

𝜌𝜌^{𝐷𝐷𝑤𝑤}_{𝐷𝐷𝑜𝑜} = − ^∂p_∂y + ^∂𝜏𝜏_∂x^{𝑥𝑥𝑧𝑧} + ^∂𝜎𝜎_∂y^{𝑦𝑦𝑧𝑧} + ^∂𝜏𝜏_∂z^{𝑧𝑧𝑧𝑧} + 𝜌𝜌𝑓𝑓𝑧𝑧 ... (2.14c)

2.9.3 Hukum Kekekalan Energi

Pada bagian ini, prinsip fisik ketiga yaitu konservasi energy diterapkan.

Prinsip ini mengatakan perubahan tingkat energi di dalam (Ė) sebuah elemen yang sama dengan jumlah dari fluks panas (Q) ke elemen danusaha Ẇ yang dilakukan pada elemen oleh gaya benda dan permukaan^[8]. Hukum ini dapat ditulis sebagai Ė

= Q + Ẇ

Hasil usaha yang dilakukan pada elemen oleh gaya benda dan permukaan pertamaakan dievaluasi. Pertimbangkan elemen kecil cairan seperti gaya yang dipertimbangkan di sini adalah kekuatan akibat medan tekanan, karena tekanan normal dan tekanan geser, dan karenakan gaya pada benda. Sebagai catatan tingkat kerja yang dilakukan pada elemen adalah gaya dikalikan dengan kecepatan. Dengan demikian, semua gaya harus dipertimbangkan disini. Namun, sangat diharuskan jika semua gaya ditarik dalam konteks elemen yang sama.

Dalam rangka untuk membuatnya sederhana, hanya gaya disumbu x yang ditunjukkan pada Gambar 2.15 Gaya iniakan dievaluasi terlebih dahulu dan dengan cara yang samaakan digunakan untuk mengevaluasi usaha oleh gaya disumbu y dan z.^[13]

Gambar 2.14. Usaha yang Dihasilkan oleh Gaya pada Sumbu x^[13]

Menggunakan definisi tersebut, usaha yang dilakukan oleh gaya di sumbu x dihitung dengan persamaan berikut :

𝑊𝑊̇𝑥𝑥= ^∑𝑜𝑜𝐹𝐹𝑥𝑥 ... (2.15) Substitusikan semua gaya yang di tunjukkan pada Gambar 2.14 yaitu : Pemecahan persamaan ini dan menghasilkan δV=δxδyδz

𝑊𝑊̇_𝑥𝑥 = �−^{∂(up )}_∂z + ^{∂(u𝜎𝜎}_∂x^{𝑥𝑥𝑥𝑥)}+^{∂�u𝜏𝜏}_∂y^{𝑦𝑦𝑥𝑥�}+^{∂(𝑜𝑜𝜏𝜏}_∂z^{𝑧𝑧𝑥𝑥)}+ 𝑜𝑜𝜌𝜌𝑓𝑓_𝑥𝑥� ... (2.16a) Dengan cara yang sama akan mendapatkan usaha oleh gaya padasumbu y

dan z :

𝑊𝑊̇_𝑦𝑦 = �−^{∂(vp )}_∂y + ^{∂�v𝜏𝜏}_∂x^{𝑥𝑥𝑦𝑦�}+^{∂�v𝜎𝜎}_∂y^{𝑦𝑦𝑦𝑦�}+^{∂�𝑐𝑐𝜏𝜏}_∂z^{𝑧𝑧𝑦𝑦�}+ 𝑜𝑜𝜌𝜌𝑓𝑓_𝑦𝑦� ... (2.16b)

𝑊𝑊̇_𝑧𝑧 = �−^{∂(wp )}_∂z + ^{∂(w𝜏𝜏}_∂x^{𝑥𝑥𝑧𝑧)}+^{∂�w𝜎𝜎}_∂y^{𝑦𝑦𝑧𝑧�}+^{∂(𝑤𝑤𝜏𝜏}_∂z^{𝑧𝑧𝑧𝑧)}+ 𝑤𝑤𝜌𝜌𝑓𝑓_𝑧𝑧� ... (2.16c)

Total dari rata-rata kerja pada elemen fluida adalah penjumlahan dari situasi ini. Rata-rata dari kerja itu adalah :

𝑤𝑤̇ = �−∇(𝑝𝑝𝑝𝑝) + _∂x^∂ �𝑜𝑜𝜎𝜎_{𝑥𝑥𝑥𝑥} + 𝑐𝑐𝜏𝜏_{𝑥𝑥𝑦𝑦} + 𝑤𝑤𝜏𝜏_{𝑥𝑥𝑧𝑧}�

+_∂y^∂ �𝑜𝑜𝜏𝜏_{𝑦𝑦𝑥𝑥} + 𝑐𝑐𝜎𝜎_{𝑦𝑦𝑦𝑦} + 𝑤𝑤𝜏𝜏_{𝑦𝑦𝑧𝑧}� � 𝛿𝛿𝑝𝑝 ... (2.17) + ∂

∂z [𝑜𝑜𝜏𝜏^{𝑧𝑧𝑥𝑥} + 𝑝𝑝𝜏𝜏𝑧𝑧𝑦𝑦 + 𝑤𝑤𝜎𝜎𝑧𝑧𝑧𝑧+ 𝜌𝜌𝑓𝑓. 𝑝𝑝]𝛿𝛿𝑝𝑝

Gambar 2.15. Aliran Panas di Permukaan Elemen Fluida^[13]

Fluks panas dalam persamaan di atas dapat dihitung dengan menggunakan hukum Fourier, dan sebanding dengan gradien temperatur setempat.

Dimana: , panas fluks dalam x-

,y-, dan z- secara berurutan.

Nilai kadalah konduktivitas termal . Dengan demikian,persamaan (2.17) bisa ditulis menjadi :

𝑄𝑄̇ = �𝜌𝜌𝑞𝑞̇ + 𝜕𝜕

𝜕𝜕𝑥𝑥 �𝑐𝑐

𝜕𝜕𝑇𝑇

𝜕𝜕𝑥𝑥� +

𝜕𝜕

𝜕𝜕𝑦𝑦 �

𝜕𝜕𝑇𝑇

𝜕𝜕𝑧𝑧� +

𝜕𝜕

𝜕𝜕𝑧𝑧 �𝑐𝑐

𝜕𝜕𝑇𝑇

𝜕𝜕𝑧𝑧�� 𝛿𝛿𝑝𝑝 …(2.18)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah untuk mengetahui berapa besar penurunan temperatur ruangan yang dihasilkan dari adanya pengaruh kinerja Solar Chimney dan APK udara –tanah serta layakkah sistem passive cooling tersebut diterapkan.

Pengukuran temperatur dan kelembapan ruangan menjadi faktor penentu apakah layak ruangan tersebut ditempati setelah adanya pengaruh pendinginan dari APK udara –tanah. Analisis untuk penelitian ini dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ansys Fluent 19.0 : Student Version.

3.2 Tempat & Waktu Penelitian

Tempat dan waktu penelitan Tugas Akhir ini dilakukan pada bulan 22 Januari 2018 – 15 Mei 2018. Lokasi penelitian bertempat di belakang Gedung Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

3.3 Peralatan Simulasi

Terdapat dua unsur penting yang menjalankan penelitian ini. Pertama adalah perangkat lunak (software) yang menjadi alat utama untuk menjalankan proses gambar geometri dan simulasi. Kedua adalah perangkat keras (hardware) yang menjadi wadah untuk menjalankan perangkat lunak.

3.3.1 Perangkat Lunak (software)

Pada penelitian ini, perangkat lunak yang digunakan ada dua jenis. Kedua perangkat lunak ini digunakan untuk membuat model 3D untuk alur pipa Alat Penukar kalor udara-tanah menuju ke ruangan uji dan dari ruangan uji disambungkan pipa menuju solar chimney. Perangkat lunak ini juga digunkan untuk membentuk mesh, mengatur kondisi, dan mengolah data.

a. Solidwork 2016

Solidwork adalah software CAD 3D yang dikembangkan oleh SolidWrks Cooporation yang sekarang sudah diakuisisi oleh Dassault Systemes.

Solidworks merupakan salah satu 3D CAD yang sangat populer saat ini di Indonesia dan di seluruh dunia. Sudah banyak perusahaan manufacturing yang mengimplementasikan software Solidworks.

Gambar 3.1. Trade Mark Solidworks 2016 (Sumber : http://www.solidworks.com/sw/.html)

Perusahaan ini dimulai pada Desember 1993 oleh seorang mahasiswa dari MIT, Jon Hirschtick dengan tujuan untuk membangun sebuah perangkat lunak CAD 3D yang mudah digunakan, terjangkau, dan dapat digunakan pada desktop windows.

b. Ansys Workbench 19.0 Student Version

Ansys Workbench adalah salah satu perangkat lunak berbasiskan metode elemen hingga yang dipakai untuk menganalisa masalah-masalah rekayasa (engineering). Ansys, Inc, adalah sebuah pusat pengembangan Computer-aided Engineering Software atau perangkat lunak engineer yang dibantu oleh komputer yang berpusat di Pittsburgh Selatan di Kota Cecil, Pennsylvania, Amerika Serikat.

Gambar 3.2. Ansys 19.0

Ansys mengeluarkan perangkat lunak analisa engineer yang meliputi ilmu analisa elemen hingga (finite element analysis), analisa struktur (Structural analysis ), perhitungan dinamika fluida (computational fluid dinamyc), metode eksplisit dan implisit (explicit and implicit methods), dan transfer panas (heat transfer).

3.3.2 Perangkat Keras (Hardware)

Untuk memudahkan proses pengerjaan, dua unit personal komputer digunakan untuk penelitian ini. Masing – masing personal komputer digunakan untuk melakukan tugas yang berbeda, yaitu untuk menggambarkan geometri 3D sistem gabungan solar chimney dan APK udara tanah dan untuk analisa simulasi.

Personal komputer yang digunakan untuk menggambarkan memiliki spesifikasi yang ditunjukkan pada tabel 3.1.

Tabel 3.1. Spesifikasi komputer untuk menggambar

Perangkat Spesifikasi

Processor Intel(R) Core(TM) i5-3317U CPU @1.70GHz (4CPUs),~1.7GHz

RAM 8.00GB

VGA Card NVIDIA GeForce GT 630

Operating System Windows 10 Pro 64-bit

Dan pada Tabel 3.2. menunjukkan spesifikasi personal komputer yang digunakan untuk melakukan simulasi

Tabel 3.2. Spesifikasi komputer untuk simulasi

Perangkat Spesifikasi

Processor Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ CPU @2.60GHz (8CPUs),~2.6GHz

RAM 16.00GB

VGA Card NVIDIA GeForce GTX 960M

Operating System Windows 10 Home Single 64-bit

3.4 Skematik Sistem

Diagram skematik sistem yang dimaksud adalah gambar desain keseluruhan dari sistem yang akan dibangun. Berikut ini adalah diagram skematik dan desain penelitian pendingin ruangan sistem gabungan APK udara-tanah (EAHE) dan solar chimney.

Gambar 3.3. Diagram Skematik Sistem Pendingin Ruangan

Berdasarkan diagram skematik penelitian, dapat dilihat bahwa terdapat 4 titik sensor pengukuran pada ruangan uji.

Tabel 3.3. Keterangan penamaan sensor pengukuran pada ruangan

RA Udara ruangan

SA Udara masuk ruangan OU Udara keluar ruangan OA Udara luar ruangan

3.5 Diagram Penelitian

Alur penelitian secara garis besar adalah : mulai  identifikasi masalah dan tujuan penelitian  studi awal  pengumpulan data  persiapan simulasi

 perhitungan simulasi  analisa hasil simulasi  kesimpulan  selesai.

Gambar 3.4. Diagram Penelitian MULAI

Identifikasi Masalah dan Tujuan

Studi Awal

Pengumpulan Data : Dimensi Sistem, Data Lingkungan, temp Masuk.

Kecepatan Udara

Persiapan Simulasi

Perhitungan Simulasi

Berhasil

Analisa Simulasi

Berhasil

Tidak

Kesimpulan Selesai Tidak

Rincian dari diagram alir di atas dijelaskan pada poin-poin di bawah ini : 1. Identifikasi Masalah dan Tujuan Penelitian

Pada bagian ini masalah utamanya adalah bagaimana pengaruh kinerja Solar Chimney dan APK udara-tanah sebagai komponen pendingin ruangan.

Penelitian difokuskan pada seberapa besar penurunan temperatur yang dapat dicapai di dalam ruangan pada simulasi setelah Solar Chimney dan APK udara- tanah bekerja sesuai dengan konsep dan tujuannya.

2. Studi Awal

Sebelum melakukan penelitian dilakukan studi awal untuk mempelajari berbagai konsep dan juga disiplin ilmu dari topik masalah. Sumber pengetahuan yang dimanfaatkan berasal dari buku-buku, tulisan-tulisan, buku elektronik serta jurnal-jurnal yang ada.

3. Pengumpulan Data

Pengumpulan data yang dilakukan adalah mengukur dimensi pipa PVC yang digunakan, mengukur temperatur pada Solar Chimney dan data lingkungan seperti temperatur tanah; temperatur udara lingkungan; kelembapan udara.

Pengumpulan data ini dilakukan untuk mendukung penelitian dalam melakukan simulasi dan penyesuaian kondisi yang dihasilkan selama dilakukannya pengujian dengan kondisi yang dihasilkan setelah dilakukan pengujian.

4. Persiapan Simulasi

Pada Persiapan simulasi ini dilakukan pembuatan geometri 3D, pembuatan kondisi batas seperti temperatur lingkungan, temperatur tanah, temperatur udara masuk, radiasi matahari. Pada persiapan simulasi ini juga akan dibuat meshing, dimana meshing ini sangat berpengaruh untuk ketelitian hasil.

5. Perhitungan Simulasi

Pada perhitungan simulasi ini akan dilakukan iterasi. Iterasi adalah proses perhitungan secara berulang-ulang yang bertujuan untuk mendapatkan hasil yang lebih spesifik. Pada simulasi Ansys dianjurkan untuk mendapatkan hasil yang konvergen pada iterasinya.

6. Analisa Simulasi

Setelah perhitungan simulasi telah selesai dan hasil iterasi sudah mencapai konvergen, maka akan diperoleh result atau hasil yang diperoleh. Pada hasil yang diperoleh ini dilihat apakah hasil sudah sesuai dengan keadaan pada saat pengujian. Apabila hasil simulasi sudah mendekati keadaan pada saat pengujian maka simulasi sudah berhasil, akan tetapi apabila hasil tidak sesuai maka perlu dilakukan simulasi ulang.

7. Kesimpulan

Setelah data didapat dan dianalisa kesimpulan dapat ditarik untuk menjawab tujuan penelitian yang sudah ditentuan.

3.6 Persiapan Perhitungan Simulasi

Terdapat beberapa tahap persiapan yang harus dilakukan untuk dapat melakukan perhitungan simulasi. Simulasi aliran udara panas merupakan simulasi yang sulit dan rumit sehingga diperlukan ketelitian pada setiap langkahnya untuk menghindari eror pada hasil akhirnya nanti. Secara garis besar, langkah-langkah tersebut dapat dilihat pada gambar 3.4

Gambar 3.5. Alur Persiapan Simulasi

3.7.1 Penggambaran Geometri 3D

Penggambaran Geometri 3D dari sistem gabungan solar chimney dan alat penukar kalor tanah-udara menggunakan perangkat lunak (Software) SolidWorks 2016. Adapun bentuk geometri yang telah di gambar dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 3.6. Geometri Alat Penukar Kalor Tanah-Udara

Diatas adalah gambar alat penukar kalor tanah-udara yang dimana alat penukar kalor tanah-udara tersebut ditanam ke tanah sedalam 2m.