99 SIMULASI KARAKTERISTIK TERMAL PADA RUMAH BANJAR
BUBUNGAN TINGGI DENGAN KOMPUTASI DINAMIKA FLUIDA
CHARACTERISTICS SIMULATION THERMAL ON THE TRADITIONAL BANJAR HIGH RIDGE (BUBUNGAN TINGGI) HOUSE WITH
COMPUTATION FLUID DYNAMICS
M. Rizki Ikhsan1), Madschen Sia Mei Ol Siska2), Nur Hidayah3)
1,2,3Program Studi Teknik Industri, Universitas Sari Mulia, Banjarmasin, Indonesia
email: [email protected]1)*, [email protected]2), [email protected]3)
Received:
16 November 2021
Accepted:
20 November 2021
Published:
23 November 2021
© 2021 SJME Kinematika All Rights Reserved.
Abstrak
Rumah adat Banjar dengan atap tinggi (Bubungan Tinggi) merupakan rumah adat yang diperuntukkan bagi kalangan bangsawan kerajaan. Di zaman modern, jenis bangunan ini digunakan sebagai desain arsitektur bangunan pemerintahan. Rumah adat sebagai warisan budaya mengandung kearifan lokal, dimana rumah didesain agar mampu beradaptasi dengan lingkungan, sehingga orang yang tinggal di dalamnya dapat merasa nyaman. Pada penelitian ini, dikaji karakteristik termal dari rumah Banjar bubungan tinggi, dengan menggunakan metode simulasi CFD. Hasil yang didapatkan bahwa desain atap bubungan tinggi sangat menguntungkan dalam hal serapan energi matahari, dimana atap tersebut mempunyai koefisien geometri (Rb) kecil, sehingga tidak banyak terpapar secara frontal terhadap sinar matahari. Bentuk atap tinggi juga akan menimbulkan bayangan yang menaungi bagian atap lain dari sinar matahari. Pada hasil simulasi CFD, didapatkan bahwa atap bubungan tinggi menjadi tempat terkumpulnya udara panas, dikarenakan perbedaan tekanan dan gaya apung udara, sehingga udara panas akan naik dan terkumpul di atap yang lebih tinggi. Untuk menghindari terkumpulnya udara panas yang lebih banyak, maka rekayasa mekanik yang dapat dilakukan adalah dengan memasang blower yang dapat menghembus udara panas ke lingkungan, sehingga dapat membantu sirkulasi udara ruangan.
Kata Kunci: karaktaristik termal, rumah Banjar, bubungan tinggi, CFD
Abstract
The Banjarese traditional house with a high ridge (Bubungan Tinggi) is a traditional house for the royal aristocracy. In modern times, this type of building is used as an architectural design for government buildings.
Traditional house as a cultural heritage of local wisdom, where the house is designed to be adaptable to the environment and comfortable for the people.
In this study, the thermal characteristics of the Banjar high ridge house were studied, using the CFD simulation method. The results obtained that the high ridge roof design is very beneficial in terms of absorption of solar energy, where the roof has a small geometric coefficient (Rb), so it is not exposed to much frontal sunlight. The shape of the high ridge roof will also create a lot of
100 shadows, that can protect the other roof from sunlight. From the CFD simulation, it was found that the high ridge roof became a cumulated place for hot air, due to the difference in pressure and bouyancy force, so that hot air would rise and collected on a higher roof. To avoid the accumulation of more hot air, mechanical modification that can be done is to install a blower that can blow out the hot air, so it can help the air circulation in the room.
Keywords: thermal characteristic, Banjarese house, high ridge roof, CFD DOI: 10.20527/sjmekinematika.v6i2.195
How to cite: Ikhsan, M.R., Siska, M.S.M.Ol., & Hidayah, N., “Simulasi Karakteristik Termal Pada Rumah Banjar Bubungan Tinggi Dengan Komputasi Dinamika Fluida”. Scientific Journal of Mechanical Engineering Kinematika, 6(2), 99-106, 2021.
PENDAHULUAN
Konsumsi energi dunia, didominasi oleh keperluan energi untuk bangunan, dengan persentase hampir 50%. Dan dari keseluruhan keperluan energi bangunan tersebut, 50%
nya lagi adalah untuk keperluan pengkondisian udara, baik pemanasan atau pendinginan.
Dengan melakukan pengaturan temperatur yang tepat pada mesin pengkondisi udara (AC) akan dapat menghemat energi sebesar 17-19% [1]Untuk dapat menyikapi kondisi tropis di Indonesia sehingga mendapatkan kondisi yang nyaman, pengkondisian udara bisa dilakukan dengan menggunakan peralatan mekanis (seperti kipas dan AC), ataupun merekonstruksi ulang bangunan dengan mengadaptasi konsep pendinginan pasif [2].
Pendinginan pasif yang bisa dilakukan misalnya dengan sistem dinding Trombe/solar chimney.
Indonesia, sebagai negara tropis, sudah sejak dahulu menciptakan kearifan lokal untuk mendapatkan penghidupan yang nyaman, terbukti dari beberapa arsitektur rumah yang mengadaptasi kondisi lingkungan. Rumah bubungan tinggi juga sudah mempertimbangkan faktor iklim untuk mencapai kenyamanan termal, yaitu pada konsep bentuk, material, dan konstruksi. Bentuk diterapkan dengan cara peninggian lantai berupa panggung; atap bervolume besar, berkemiringan curam dan berteritisan lebar. Material diterapkan dengan penggunaaan bahan yang adaptif terhadap kondisi rawa. Elemen- elemen pengendali iklim diterapkan melalui unsur panggung, lantai dan dinding bercelah, beranda, bukaan, teritisan, atap bervolume besar, dan penutup atap sirap [3]. Material yang digunakan pun dominan dari kayu, sehingga juga berfungsi sebagai isolator panas.
Pada penelitian ini, obyek penelitian adalah rumah adat Kalimantan Selatan, yaitu rumah kayu bubungan tinggi (gambar 1). Model rumah ini diambil dikarenakan mempunyai ukuran tinggi yang cukup besar, sehingga diperkirakan mampu membuat perbedaan tekanan udara yang cukup besar antara bagian bawah dan atas rumah, sehingga memungkinkan adanya aliran udara. Berdasarkan penelitian [4], menyatakan bahwa rumah bubungan tinggi mempunyai kondisi termal yang belum memenuhi standar kenyamanan udara menurut skala Webb. Permasalahan inilah yang harus dicari solusinya, yaitu mencari karakteristik termal dari bangunan rumah bubungan tinggi, kemudian mencari rekayasa apa yang dapat dilakukan untuk mencapai standar kenyamanan udara di rumah tersebut, sehingga arsitektur kearifan lokal bisa diterapkan ke dalam bangunan modern sekarang.
Pelestarian arsitektur tradisional tidak hanya berguna untuk pelestarian budaya, tetapi juga dengan rekayasa yang cukup, akan dapat menghemat penggunaan energi pada bangunan.
101 Gambar 1. Rumah Banjar Bubungan Tinggi
Rumah Banjar Bubungan tinggi merupakan bangunan yang telah beradaptasi dengan kondisi alam di wilayah Kalimantan Selatan, dimana mempunyai kondisi alam berupa rawa-rawa, sehingga bangunan ini dibuat dengan bentuk panggung. Bangunan ini memiliki 5 ruangan, yaitu teras, ruang tamu, ruang keluarga, ruang pribadi, dan ruang dapur [4]
Bangunan rumah bubungan ini merupakan salah satu dari 11 jenis rumah adat di Kalimantan Selatan, dimana dahulunya berfungsi sebagai rumah raja atau sultan, sehingga rumah ini menjadi pencitraan strata sosial/ekonomi masyarakat di Kalimantan Selatan [5].
Bentuk rumah bubungan tinggi, secara geometri, pada bagian atap utama mempunyai sudut kemiringan 45°-60° [6]. Bentuk rumah bubungan tinggi ini juga dipengaruhi budaya sungai yang dominan di Kalimantan Selatan, dari abad 15 sampai abad 20[6].
Razak (2019), [7] melakukan penelitian tentang kenyamanan termal rumah bubungan tinggi secara langsung pada 1 hari di bulan Oktober 2016, dan mendapatkan bahwa rumah bubungan tinggi tidak termasuk dalam batas kenyamanan Webb, karena mempunyai temperatur di atas 27,3°C. Ruang teras dan ruang tamu termasuk dalam skala psiko-fisik agak hangat, sedangkan ruangan lain masuk dalam kategori psiko-fisik hangat.
Temperatur efektif seluruh ruangan dalam rumah bubungan tinggi lebih tinggi daripada temperatur udara lingkungan.
Untuk membuat temperatur ruangan yang lebih nyaman, dapat digunakan metode mekanik, pasif/alami, atau gabungan antara keduanya. Pendinginan pasif untuk bangunan bisa dilakukan dengan konsep dinding Trombe/Solar Chimney [7]. Dimana suatu penyimpan panas/tembok dipanaskan dengan radiasi matahari, sehingga menciptakan perbedaan temperatur dan tekanan di tempat yang lain. Dengan adanya perbedaan tekanan udara maka aliran udara akan didapatkan. Metode ini dapat diverifikasi dengan analisis perpindahan panas, atau dengan mengamati aliran udara yang terjadi.
Pada penelitian [8] dilakukan gabungan antara penggunaan kipas angin atas dan bukaan jendela, dimana dimensi kipas angin dan karakteristiknya mempengaruhi kenyamanan termal, yang dianalisis dengan metode PMV.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan cara simulasi menggunakan perangkat lunak CFD, dengan berdasarkan data dari survey lapangan rumah bubungan tinggi yang sebenarnya.
Adapun tahapan penelitian ini secara garis besarnya ada 3, yaitu :
1. Studi literatur, meliputi data temperatur dan cuaca tahunan di daerah Kalimantan Selatan; data arsitektur rumah adat banjar bubungan tinggi, penelitian terdahulu yang berkaitan dengan simulasi CFD dan analisis/rekayasa termal bangunan
2. Survey lapangan; meliputi pengukuran dimensi riil rumah adat banjar bubungan tinggi, kondisi lingkungan sekitar, dan pengujian karakteristik termal material kayu untuk bangunan
102 3. Simulasi CFD terdiri dari 3 tahapan, yaitu :
a. Pre-processing, meliputi pembuatan model 3d, penentuan material, masukan (input) kondisi kerja, syarat-syarat batas, pengaturan mesh. Masukan kondisi kerja yang diberikan berupa dimensi dan temperatur nyata dari bangunan, yang sebelumnya telah diukur melalui survey lapangan.
b. Processing, yaitu pelaksanaan proses simulasi dengan bantan software CFD.
c. Post-processing, yaitu hasil visualisasi, animasi, dan plot grafik. Hasil yang diharapkan dapat ditampilkan dari tahapan post-processing adalah distribusi temperatur pada seluruh bagian dalam rumah, sehingga dapat diketahui titik- titik panas pada bangunan. Dari distribusi temperatur yang didapat, kemudian dilakukan rekayasa termal untuk mendapatkan kenyamanan termal bagi manusia.
Alat yang diperlukan untuk pelaksanaan penelitian ini adalah : laser distance meter, anemometer, higrometer, pyranometer, komputer dan software CFD. Skema penelitian ditampilkan di gambar 2. Lokasi penelitian berada di Museum Wasaka, Banjarmasin, Kalimantan Selatan, dan laboratorium komputasi di Universitas Sari Mulia Banjarmasin.
Gambar 2. Skema Penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada pengukuran dimensi rumah bubungan tinggi di banjarmasin, didapatkan hasil sebagai berikut (gambar 3) dalam satuan mm, dimana rumah ini menghadap ke arah tenggara (gambar 4).
103 Gambar 3. Dimensi Rumah Banjar Bubungan Tinggi
Gambar 4. Bidang Atap Rumah Banjar Bubungan Tinggi
Pada tabel 1 ditampilkan kemiringan dan arah dari masing-masing atap rumah bubungan tinggi. Sedangkan tabel 2 menunjukkan faktor geometri pada bidang atap rumah Banjar.
Tabel 1. Data kemiringan dan orientasi arah objek penelitian
Bidang atap 1 2 3 4 5 6
Kemiringan atap (β) 30 80 30 80 16 16
Arah orientasi atap (γ)
-40 timur
-40
timur 40 barat
130 barat
130 barat
-130 timur
Tabel 2. Faktor geometri pada bidang atap rumah Banjar Bidang atap
tanggal 1 2 3 4 5 6
21-Mar-21 0,84 0,13 0,84 0,2 0,96 0,96 21-Jun-21 0,67 -0,2 0,67 0,48 1,04 1,04 21-Sep-21 0,84 0,13 0,84 0,2 0,96 0,96
21-Des-21 1 0,45 1 -6,1 0,89 0,89
104 Berdasarkan data tabel 2, maka dapat dilihat bahwa atap nomor 2 dan 4 yang merpupakan bubungan tingi dari rumah banjar mempunyai faktor geometri yang kecil.
Nilai Rb yang kecil dapat diartikan bahwa atap nomor 2 dan 4 yang berposisi tegak tersebut, sangat sedikit menyerap radiasi matahari, sehingga atap tersebut mempunyai temperatur yang lebih rendah dibanding dengan atap lain yang berposisi lebih datar [9]
[10].
Hasil perhitungan di tabel 2, menunjukkan bahwa pada bangunan rumah tradisional bubungan tinggi, selain merupakan bangunan yang mempunyai filosofi tinggi (karena diperuntukkan untuk bangsawan Banjar), juga mengandung nilai kearifan lokal dalam hal karakteristik termalnya.
Untuk melakukan pemodelan CFD, maka ditentukan parameter-parameter sebagai berikut :
solver type : pressure based
velocity formulation : absolute
gravitational acceleration (Y) : -9,81 m/s2
roof, wall (convection), ground, jendela sebagai inlet dan outlet udara
models : viscous-SST k omega
model constants : o alpha*_inf = 1 o Alpha_inf = 0,52 o Beta*_inf=0,09 o a1=0,21
energy equation = ON
fluid materials = air
operating pressure=101325 Pascal
roof temperature : 45
materials : wood
inlet velocity = 3 m/s
Solution mehod
o gradient = least square cell based o pressure = second order
o momentum = second order upwind
o turbulent kinetic energy = first order upwind o specific dissipation rate = first order upwind
Berdasarkan pemodelan CFD, didapatkan profil temperatur pada rumah Banjar bubungan tinggi seperti yang ditampilkan pada gambar 5. Pada gambar 5 (lingkaran merah) didapati bahwa temperatur udara di bawah atap lebih tinggi daripada temperatur udara ruangan. Hal ini disebabkan adanya gaya apung (bouyancy force) dari udara panas yang akan berada di posisi atas [11]. Dari gambar 5 (lingkaran merah) juga dapat dilihat bahwa udara panas terkumpul pada bagian atap bubungan tinggi, dikarenakan atap nomor 1, 3, 5, dan 6 akan terpusat berakhir pada atap nomor 2 dan 4, sehingga atap bubungan tinggi ini akan berfungsi sebagai penyimpan panas. Pada arsitektur rumah banjar, pada bagian atap bubungan tinggi ditambahkan plafon, yang dapat mencegah berkumpulnya udara panas di bagian bubungan tinggi, tetapi berakibat udara panas tersebut akan menyebar ke seluruh bagian ruangan, yang tentu saja berakibat menaikkan temperatur ruangan. Solusi yang ditawarkan adalah menghilangkan plafon, sehingga udara mengumpul di bagian atap bubungan tinggi, kemudian melakukan rekayasa termal dengan cara menambahkan ventilasi di bagian atap bubungan tinggi, ataupun memasang blower
105 yang dapat mengeluarkan panas secara mekanik. Secara alami, udara bisa sedikit demi sedikit bersirkulasi dari bangunan melalui celah-celah kayu dinding atau atap bangunan, dikarenakan konstruksi bangunan terbuat dari kayu dan atap dari sirap kayu, sehingga masih ada celah udara untuk bisa lolos.
Gambar 5. Profil Temperatur Hasil Solusi CFD
KESIMPULAN
Rumah adat Banjar bubungan tinggi, dengan atap lancip yang tinggi, mempunyai faktor geometri (Rb) yang kecil, sehingga lebih sedikit terpapar secara frontal dengan sinar matahari. Berdasarkan simulasi CFD, bentuk atap yang tinggi menjadi tempat terkumpulnya udara panas dari seluruh bangunan, yang jika dibiarkan dalam waktu lama, juga akan mengurangi kenyamanan udara di ruangan, oleh karena itu disarankan rekayasa mekanik dengan menambah blower untuk mengeluarkan udara panas di atap tertinggi tersebut.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih disampaikan kepada Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan atas didanainya penelitian ini. Ucapan yang sama diperuntukkan juga kepada sivitas akademika Universitas Sari Mulia, dan dinas pariwisata Kalimantan Selatan (Museum Wasaka) atas bantuan dan dukungannya, sehingga penelitian ini dapat dijalankan, meski masih dalam suasana pandemi Covid-19.
106 REFERENSI
[1] R. Y. Sandi, I. Garniwa, T. H. Panjaitan, and D. M. Pratiwi, “Building energy efficiency and conservation on air conditioning loads (Case study: residential and building development information center in Makassar),” in IOP Conference Series:
Earth and Environmental Science, 2019, vol. 399, no. 1, p. 12086.
[2] C. Y. Lee, S. Kaneko, and A. Sharifi, “Effects of building types and materials on household electricity consumption in Indonesia,” Sustain. Cities Soc., vol. 54, p.
101999, 2020.
[3] I. S. Muhammad, “Tanggapan terhadap Iklim sebagai Perwujudan Nilai Vernakular pada Rumah Bubungan Tinggi,” LANTING J. Archit., vol. 1, no. 2, pp. 68–137, 2012.
[4] H. Razak, “IDENTIFIKASI KONDISI TERMAL PADA BANGUNAN TRADISIONAL STUDI KASUS RUMAH BUBUNGAN TINGGI DI MARTAPURA,” 2019.
[5] W. Aqli, “Anatomi Bubungan Tinggi sebagai rumah tradisional utama dalam kelompok rumah Banjar,” NALARs, vol. 10, no. 1, 2011.
[6] A. J. Noor and N. Fajriah, “BASIC GEOMETRY SKILLS AT RUMAH BUBUNGAN TINGGI OF BANJARESE IN SOUTH KALIMANTAN.”
[7] M. Rizali, “ANALISIS AWAL PERPINDAHAN PANAS DINDING TROMBE BERALUR,” in PROSIDING SEMINAR NASIONAL LINGKUNGAN LAHAN BASAH, 2020, vol. 5, no. 3, pp. 126–133.
[8] M. Alizadeh and S. M. Sadrameli, “Numerical modeling and optimization of thermal comfort in building: central composite design and CFD simulation,” Energy Build., vol. 164, pp. 187–202, 2018.
[9] W. S. Moustafa, I. R. Hegazy, and M. M. Eldabousy, “Roof geometry as a factor of thermal behavior: simulation based study of using vaults and domes in the Middle East zone,” Int. J. Low-Carbon Technol., vol. 13, no. 3, pp. 204–211, 2018.
[10] M. P. G. Sirimanna and R. A. Attalage, “A model for analyzing the thermal performance of roof configurations with flat inclined surfaces,” Energy Build., vol.
116, pp. 122–132, 2016.
[11] A. N. Maulana, A. K. Samlawi, and M. Rijali, “ANALISIS PENGARUH LEBAR CELAH UDARA PADA CHANNEL OUTLET TERHADAP KONDISI RUANGAN DAN DAYA LISTRIK DENGAN MEMANFAATKAN PANEL SURYA,” Sci. J. Mech. Eng. Kinemat., vol. 3, no. 1, pp. 17–32, 2018.
