i
LAPORAN AKHIR
PENELITIAN CALON PROFESOR
Pengembangan Mikro-Enkapsulasi Material Berubah Fasa Sebagai Material Penyimpan Energi Panas Pada
Bangunan
PENELITI :
Dr. Ir. Razali, M.Si, MT NIP : 196505051991021001, Ketua Dr. Ir. Hamdani, MT NIP : 196511071991021001, Anggota
Dibiayai Oleh:
Universitas Syiah Kuala
Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, Sesuai dengan Surat Perjanjian Penugasan
Pelaksanaan Penelitian Calon Profesor Tahun Anggaran 2020 Nomor: 221/UN11.2.1/PT.01.03/PNBP/2020 Tanggal 19 Maret 2020
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SYIAH KUALA
NOVEMBER 2020
ii
HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHIR
(Penelitian Calon Profesor (PCP)
Judul Penelitian : Pengembangan Mikro-Enkapsulasi Material Berubah Fasa Sebagai Material Penyimpan Energi Panas Pada Bangunan
Ketua Peneliti
a. Nama Lengkap
b. NIP
c. Jabatan Fungsional d. Progam Studi e. Nomor HP f. Alamat Surel (e-mail)
: : : : : :
Dr. Ir. Razali, M.Si, MT 196505051992021001 Lektor Kepala
Teknik Mesin Fakultas Teknik Unsyiah 0811682467
[email protected] Anggota (1)
a. Nama Lengkap b. NIP
c. Jabatan Fungsional
: : :
Dr. Ir. Hamdani, MT 196511071991021001 Lektor Kepala
Biaya Penelitian : Rp 75.000.000 (tujuh puluh lima juta rupiah)
Banda Aceh, 30 November 2020
Mengetahui,
Ketua LPPM Unsyiah
Prof. Dr. Taufik Fuadi Abidin, S.Si., M.Tech NIP. 197010081994031002
Ketua Peneliti,
Dr. Ir. Razali, M.Si, MT) NIP: 196505051991021001
iii
RINGKASAN
Konsumsi energi sektor bangunan dunia mencapai 30% dari konsumsi energi secara keseluruhan dan menyumpang sepertiga emisi gas rumah kaca di seluruh dunia. Beberapa tahun terakhir permintaan energi untuk bangunan meningkat sangat pesat seiring dengan pertumbuhan penduduk, peningkatan layanan dan tingkat kenyamanan termal dalam bangunan.
Pada tahun 2030 diperkirakan penggunaan bahan bakar fosil mencapai 75-80% dari energi primer dunia. Dengan demikian, peningkatan permintaan energi, kekurangan bahan bakar fosil dan masalah lingkungan telah mendorong untuk dilakukan peningkatan efisiensi energi pada sektor bangunan dan penggunaan sumber daya energi terbarukan.
Kombinasi bahan bangunan dan material berubah fasa (Phase Change Material, PCM) adalah cara yang efisien untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan energi termal komponen bangunan untuk tujuan penyimpanan energi termal langsung di gedung-gedung. Pada penelitian ini akan dilakukan penelitian penggunaan mikro-enkapsulasi PCM pada bahan bangunan. Lilin lebah (beeswax) dipilih sebagai material berubah fasa. Penelitian akan dilakukan dalam tiga tahapan. Tahap pertama, penyiapan mikro-enkapsulasi PCM, menggunakan metode spray coating. Kehandalan mikro-enkapsulasi PCM, diuji melalui pengujian siklus termal menggunakan peralatan Differential Scanning Calorimetry (DSC) dan Thermal Gravimetry (TG). Tahap kedua, dilakukan penyiapan material bangunan yang dilengkapi dengan mikro- enkapsulasi PCM. Kehandalan material bangunan diuji melalui pengujian sifat mekanik meliputi uji kuat tekan dan uji porositas komposit, pengujian sifat termal meliputi pengujian kapasitas penyimpan panas, dan konduktivitas termal. Pada tahap ini juga akan dilakukan penyiapan perangkat pengujian kemampuan material bangunan dalam menyimpan energi panas. Perangkat penelitian yang dikembangkan, berupa kotak berbentuk bangunan dimana dindingnya adalah komposit yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM. Pengujian dilakukan pada kondisi iklim kota Banda Aceh. Tahap ketiga dilakukan pengembangan pemodelan numerik untuk simulasi penyimpanan energi panas pada komposit yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM. Simulasi dilakukan dengan bantuan perangkat lunak EnergyPlus. Validasi hasil pomedelan dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian lapangan
iv PRAKATA
Puji dan syukur saya ucapkan kehadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan taufik, hidayah serta karunia-Nya. Kami mengucapkan mengucapkan terima kasih dan kepada:
1. Prof. Dr. Ir. Samsul Rizal, M.Eng, Rektor Universitas Syiah Kuala yang telah memberikan kesempatan bagi kami untuk melaksanakan penelitian ini.
2. Bapak Dr. Ir. Taufiq Saidi, M.Eng selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala, telah memberikan saran dan fasilitas selama pelaksanaan penelitian ini.
3. Bapak Dr. Iskandar,ST, M.Eng dan Dr. Irwansyah, ST, M. Eng selaku Wakil Dekan Bidang Akademik, dan Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala, telah memberikan fasilitas dalam pelaksanaan penelitian ini.
4. Seluruh mahasiswa yang terlibat dalam kegiatan penelitian ini.
Puji, syukur dan doa saya panjatkan kehadirat Allah SWT, semoga amal baik semua pihak yang telah membantu diterima dan dibalas oleh-Nya, amiin
Banda Aceh, 2020
Penulis
v DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN LAPORAN AKHIR ... ii
RINGKASAN ... iii
PRAKATA ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 3
2.1. Penyimpan Energi Panas ... 3
2.2. Kriteria Pemilihan Material Berubah Fasa ... 4
2.3. Penggabungan PCM dengan Material Kontruksi Bangunan ... 5
2.3.1. Penggabungan Langsung ... 6
2.3.2. Enkapsulasi ... 7
2.4. Analisis Energi Bangunan ... 8
BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ... 10
3.1 Tujiuan Penelitian ... 10
3.2 Manfaat Penelitian ... 10
BAB 4. METODE PENELITIAN ... 11
4.1 Lokasi Penelitian ... 11
4.2 Metode Penelitian ... 11
4.2.1 Pengujian Sifat-sifat Termo-Fisik PCM ... 11
4.2.2 Penyiapan Mikro-Enkapsulasi Komposit PCM ... 12
4.2.3 Pengujian Performan Mikro-Enkapsulasi Komposit PCM ... 12
4.2.4 Analisis Energi Bangunan Berbahan Komposit PCM ... 12
BAB 5. HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI ... 13
5.1 Hasil Pengujian Karakteristik Agregat ... 13
5.2 Hasil Pengujian Beton MIkro-Enkapsulasi PCM ... 18
5.3 Pengujian Panas Pada Beton Panel ... 23
5.3 Pemodelan Analisis Numerik ... 25
5.4 Analisis Penyerapan Panas ... 26
BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN ... 30
6.1 Kesimpulan ... 30
6.2 Saran-Saran ... 30
DAFTAR PUSTAKA ... 31
vi
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Bahan penyimpanan energi termal yang umum digunakan ... 3
Tabel 5.1. Hasil Pengujian Analisa Saringan Agregat Halus ... 13
Tabel 5.2. Hasil Pengujian Berat Jenis Agregat Halus ... 14
Tabel 5.3. Hasil Pengujian Penyerapan Agregat Halus ... 15
Tabel 5.4. Penentuan Kadar Air Agregat Halus ... 15
Tabel 5.5. Hasil Pengujian Analisa Saringan Agregat Kasar ... 16
Tabel 5.6. Hasil Pengujian Berat Jenis Agregat Kasar ... 16
Tabel 5.7. Hasil Pengujian Penyerapan Agregat Kasar ... 17
Tabel 5.8. Hasil Pengujian Kadar Air Agregat Kasar ... 17
Tabel 5.9. Rencana Campuran Beton-Beeswax 5% ... 18
Tabel 5.10. Pengukuran Nilai Slump Test ... 21
Tabel 5.11. Hasil Pengujian Penambahan Beeswax Terhadap Kuat Tekan ... 21
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Model enkapsulasi PCM ... 7
Gambar 2.2 Skema rangkaian ketimbangan panas pada komposit dinding bangunan ... 8
Gambar 3.1 Diagram alir kegiatan penelitian ... 11
Gambar 5.1. Grafik Kurva Gradasi Agregat Halus Type III ... 14
Gambar 5.2. Temperature Recorder dan Thermocouple ... 23
Gambar 5.3. Penempatan Titik Termokopel Pada Beton Panel ... 24
Gambar 5.4 Hasil pengujian penyerapan panas ... 24
Gambar 5.5 Skema perpindahan panas pada komposit dinding bangunan ... 25
Gambar 5.6 Ilustrasi gedung bangunan ... 26
Gambar 5.7 Data iklim kota Banda Aceh bulan April ... 27
Gambar 5.8 Kurva entalpi-temperatur lilin lebah ... 27
Gambar 5.9 Hasil perhitungan temperatur dinding pada setiap jam ... 28
Gambar 5.10 Hasil perhitunagan temperatur permukaan dalam atap setiap jam ... 28
1 BAB 1. PENDAHULUAN
Pola konsumsi energi Indonesia sektor rumah tinggal untuk pemanasan atau pendinginan mencapai 43%, pemanas air 27%, penerangan 3,4%, peralatan rumah tangga 26,6%. Sedangkan untuk penggunaan energi listrik mencapai 50% dari total kebutuhan energi listrik terserap pada sektor bangunan, maka sektor rumah tinggal berperan besar dalam mengkonsumsi listrik baik untuk keperluan penerangan, peralatan rumah tangga maupun untuk pengkondisian ruang. [1].
Bangunan dengan beton ringan pada saat ini digunakan sebagai solusi pembuatan rumah masal yang relatif lebih murah, meskipun belum memberikan kenyamanan termal dalam ruangan akibat pemakaian bahan bangunan ini. Bahan bangunan beton ringan mampu menyimpan panas yang lama, sehingga pada malam hari panas tersebut dikeluarkan didalam ruangan. Penelitian tentang efisien energi sektor bangunan di Indonesia, selama ini hanya ditujukan pada energi pemakaian listrik, tetapi tidak pernah mempermasalahkan efisien energi melalui pemilihan dan penggunaan bahan bangunan.
Energi termal dapat disimpan dan diambil kembali dalam bentuk perubahan energi dalam dari bahan sebagai panas sensibel, panas laten dan termo-kimia atau kombinasi diantaranya [2].
Dalam penyimpanan panas sensibel, energi disimpan dengan menaikkan suhu bahan. Sistem ini memanfaatkan kapasitas panas dan perubahan suhu bahan selama proses penyerapan dan pelepasan panas. Jumlah energi yang disimpan oleh sistem tergantung pada panas spesifik dari media, perubahan suhu dan massa media yang diguankan . Namun, penyimpan panas sensibel membutuhkan massa dan volume yang besar untuk mencapai tingkat kenyamanan termal yang diinginkan. Untuk mengatasi masalah di sistem penyimpanan panas sensibel, penelitian di bidang sistem penyimpanan panas laten dimulai pada tahun 1940-an. Penyimpanan panas laten bekerja berdasarkan penyerapan panas atau melepaskan ketika bahan penyimpanan mengalami perubahan fasa dari padat menjadi cair atau dari cair ke gas atau sebaliknya [3]. Dalam sistem termo-kimia, energi yang diserap atau dilepaskan berlangsung selama proses perubahan ikatan molekul akibat reaksi kimia dan proses yang berlangsung seluruhnya reversibel.
Di antara teknik ini, penyimpanan panas laten memanfaatkan material berubah fasa (Phase Change Material, PCM) telah menarik para peneliti karena keunggulannya dalam menyimpan energi yang tinggi dan perubahan suhu yang kecil. Penyimpanan panas laten dapat dicapai melalui fase transformasi padat-padat, padat-cair, padat-gas dan gas-cair [2]. Namun, sistem padat-cair, lebih unggul secara ekonomi, sehingga menarik untuk digunakan dalam sistem penyimpan energi termal.
2 Sebagian besar kajian yang telah dilakukan banyak peneliti menggunakan PCM anorganik sebagai material penyimapan panas, karena memiliki karena memiliki entalpi panas laten yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, tidak mudah terbakar dan murah [4]–[6].
Namun, kebanyakan dari PCM anorganik bersifat korosif, sebagian besar logam, dan memiliki fasa dekomposisi [7], [8]. Untuk mengatasi beberapa masalah yang melekat dalam PCM anorganik, dilakukan kajian penggunaan PCM organik sebagai media penyimpanan panas [9]–
[11]. PCM organik umumnya memiliki sifat kimiawi yang stabil, non-korosif, tidak beracun dan memiliki entalpi panas laten yang tinggi. Namun, untuk pemanfaatan PCM organik pada bangunan, perlu dilakukan seleksi suhu perubahan fasa berada di zona kenyamanan manusia yaitu pada kisaran 18-26oC [12]–[14].
Teknik penggabungan PCM dalam material bangunan dengan cara enkapsulasi-PCM bentuk komposit adalah metode yang paling sederhana, praktis dan ekonomis metode dan telah menarik minat banyak peneliti dalam dekade terakhir [15]. Akan tetapi, beberapa permasalahan masih perlu diselesaikan dalam pengembangan PCM komposit yang memiliki bentuk stabil anata lain: Penggunaan eutetic-PCM untuk pengembangan komposit belum memberikan hasil yang baik dan sangat terbatasnya informasi sifat termofisik dari PCM [16], [17]. Banyak PCM yang diusulkan memiliki temperatur lebur tidak pada temperatur kenyamanan termal (16-26
oC) [18], [19]. Beberapa peneliti menggunakan material pendukung pembuatan komposit adalah material yang tidak umum digunakan sebagai material bangunan [20], [21].
Oleh karena itu, untuk mengatasi masalah ini, pada penelitian ini akan diusulkan penggunaan lilin lebah (beeswax) untuk pengembangan komposit PCM bentuk-stabil. Lilin lebah memiliki suhu peleburan berada pada kisaran kenyamanan termal dalam ruangan, memiliki kapasitas panas laten yang tinggi, ekonomis dan mudah diperoleh.
3 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Penyimpan Energi Panas
Penyimpan energi panas dapat diklasifikasikan sebagai penyimpan energi dalam bentuk panas sensibel, panas laten, dan gabungan panas sensibel dengan panas laten [3],[22]
Pada sistem penyimpanan panas sensibel, energi disimpan akibat kenaikan temperatur dari material. Sistem memanfaatkan kapasitas panas dan perubahan temperatur material selama proses penyerapan dan pembuangan panas. Tabel 2.1 memperlihatkan beberapa bahan penyimpanan energi termal yang umum digunakan beserta sifat-sifat fisiknya.
Tabel 2.1 Bahan penyimpanan energi termal yang umum digunakan
Media Jensi fluida Temperatur (oC) Densitas (kg/m3)
Panas Specifik (J/kg K) Rock
Brick Concrete Water
Caloriea HT43 Engine oil
Ethanol Proponal Butanol Isotunaol Isopentanol Octane
- - - - Oil Oil
Organic liquid Organic liquid Organic liquid Organic liquid Organic liquid Organic liquid Organic liquid
20 20 20 0–100 12–260 Up to 160
Up to 78 Up to 97 Up to 118 Up to 100 Up to 148 Up to 126
2560 1600 1900–2300
1000 867 888 790 800 809 808 831 704
879 840 880 4190 2200 1880 2400 2500 2400 3000 2200 2400
Material penyimpanan panas sensibel seperti batu bata dan beton yang digunakan sebagai material bangunan akan membutuhkan massa dan ruang yang besar untuk mempertahankan temperatur ruangan mencapai tingkat kenyamanan termal yang diinginkan. Dan disisi lain pada saat cuaca yang sangat panas atau sangat dingin kondisi kenyamana termal akan sulit dicapai [12], [22], [23]
Untuk mengatasi masalah yang melekat dalam sistem penyimpanan panas sensible, penelitian di bidang penyimpanan panas laten mulai mendapat perhatian di tahun 1940- an [4], [13]. Aplikasi PCM sebagai bahan penyimpanan panas laten, untuk penyimpanan energi panas pertama digunakan pada penghangat kursi untuk mobil kereta api Inggris
4 [24]. Menurut Shrma [3], material berubah fasa (PCM) mampu menyimpan panas 5-14 kali lebih panas per satuan volume dibandingkan dari material penyimpanan pans sensibel seperti air, batu atau beton.
2.2. Kriteria Pemilihan Material Berubah Fasa
Keunggulan utama dari PCM adalah untuk menjaga lingkungannya pada kondisi termal stabil dengan menyimpan lebih banyak panas per satuan volume dari bahan konvensional lain.
Ketika suhu meningkatkan ikatan kimia antara molekul pecah dan bahan mencair dan berubah dari padat menjadi cair, perubahan fasa dari padat ke cair material menyerap panas, sebaliknya, ketika suhu turun di bawah titik leleh, material membeku dan berubah dari fasa cair ke padat, elama perubahan fasa panas yang dilepaskan. Proses ini mamtu mempertahankan suhu ruangan bangunan tanpa mengubah transmitansi termal dari struktur bangunan tetapi dengan menstabilkan suhu permukaan melalui penyimpanan panas. Dalam rangka mendapatkan kinerja terbaik pemakaian PCM pada struktur bangunan , beberapa sifat fisik, kinetik dan kimia harus dimiliki oleh PCM adalah : [8], [25];
Sifat termal :
• temperatur lebur sesuai dengan suhu ruangan yang diinginkan
• entalpi panas laten yanggi tinggi per volume untuk menyerap panas sebanyak mungkin.
• kapasitas panas spesifik yang tinggi untuk menyimpan panas sensibel tambahan
• konduktivitas termal tinggi di fasa padat dan cair untuk meningkatkan perpindahan panas saat penyerapan panas selama mencair dan ekstraksi panas pada pembekuan.
Sifat fisik:
• perubahan volume yang kecil selama perubahan fasa untuk interaksi baik dengan bahan bangunan
• Tidak ada fasa pemisahan Sifat kinetik dan kimia:
• tidak ada pendinginan lanjut
• tidak ada degradasi setelah siklus pembekuan dan pelelehan
• tidak beracun, tidak korosif dan tidak mudah terbakar
Material berubah fasa (Phase Change Material, PCM) sebagai material penyimpana laten dapat dibagi menjadi tiga kategori, yaitu; senyawa organik, senyawa anorganik dan eutektik. Senyawa organik dibagi lagi menjadi parafin dan non-parafin.
5 Parafin tidak memiliki fasa pemisahan selama mencair dan membeku. Suhu lebut berada pada kisaran sekitar 20 oC hingga sekitar 70 oC dan kepadatan penyimpanan energi dari 120 kJ/kg sampai 210 kJ/kg. Kelemahan utama parafin adalah memiliki konduktivitas termal yang rendah dan perubahan volume tinggi selama perubahan fasa [8].
Non-parafin termasuk asam lemak, ester alkohol dan glikol. Non-parafin memiliki suhu lebur mulai dari 7 oC sampai 187 oC dan panas peleburan mulai dari 42 kJ/kg sampai 250 kJ/kg. Asam lemak adalah jenis PCM yang cukup populer, karena memiliki suhu perubahan fasa cocok untuk aplikasi pemanasan serta memiliki karakteristik yang baik selama peleburan dan pembekuan, tidak mengalami pendinginan-super. Kekurangan asam lemak adalah harga yang mahal kira-kira tiga kali lebih besar dari harga parafin.
Senyawa anorganik terutama adalah garam hidrat. Bahan-bahan ini memiliki keuntungan dari panas laten yang tinggi, harga rendah, tidak mudah terbakar dan banyak tersedia. Namun, memiliki sifat pendinginan-super dan tidak melebur secara merata yang menyebabkan terjadinya fase pemisahan. Selain itu, memiliki sifat korosif dan karena itu tidak dapat dengan mudah digabungkan dengan bahan bangunan. Garam hidrat umumnya memiliki panas laten pada kisaran 147-281 kJ/kg dan suhu lebur berkisar 18 oC sampai 36 oC.
Eutektik adalah campuran dari dua atau lebih unsur yang mampu membeku secara bersamaan dan kongruen pada suhu beku minimum. Hal ini untuk mencegah pemisahan fasa dan membuat material lebih stabil setelah siklus mencair dan pembekuan. Eutektik memiliki kepadatan penyimpanan panas yang tinggi. Eutektik dapat berupa campuran senyawa organik-organik, campuran senyawa anorganik- anorganik atau campuran senyawa organik-anorganik. Beberapa eutektik yang telah digunakan semabagi material penyimpan panas memiliki rentang suhu lebur antara 4 oC dan 81 oC dan panas laten antara 111 kJ/kg dan 249 kJ/kg.
2.3. Penggabungan PCM dengan Material Kontruksi Bangunan
PCM dapat dimanfaatkan baik secara pasif atau aktif dalam bangunan. Dalam kedua kasus PCM dimasukkan ke dalam amplop bangunan. Dalam sistem pasif energi
6 matahari pada siang hari dan kesejukan pada malam hari disimpan ke dalam selubung bangunan, yang melibatkan PCM. Hal ini akan mengurangi dan menggeser puncak pemanasan dan beban pendinginan puncak. Dalam sistem aktif listrik didorong pemanasan atau pendinginan sistem yang digunakan untuk menyimpan panas dan kesejukan kepada PCM dimasukkan selubung bangunan pada saat off-peak, dimana harga listrik yang relatif rendah. panas dan kesejukan yang disimpan dapat digunakan selama masa puncaknya, ketika harga listrik yang tinggi. manfaat ekonomi dapat dicapai dengan aplikasi ini. Dalam karya ini sistem hanya pasif diselidiki. PCM dimasukkan ke dalam bahan bangunan dengan metode yang berbeda tapi yang paling menjanjikan yang penggabungan langsung, perendaman dan enkapsulasi
2.3.1. Penggabungan Langsung
Dalam penggabungan langsung, PCM dalam bentuk cair atau bubuk dicampur dengan bahan kontruksi selama tahap produksi. Hal ini membuat proses lebih ekonomis, jenis ini seperti wallboards gypsum dan beton [10], [26]. D. Feldman et al. meneliti sifat fisiko-mekanik laboratorium diproduksi papan gipsum dengan 21-22% dari butil Jenis stearat PCM dengan metode penggabungan langsung. Mereka telah menemukan bahwa papan gipsum ini memiliki 10 kali dari kapasitas penyimpanan energi yang lebih besar dari papan gypsum polos dengan perubahan diabaikan dari sifat utamanya. D. Bentz dan R. Turpin [58] diproduksi sampel beton dengan menggunakan semen sebagai bahan matriks untuk PCMs. Mereka menghasilkan sampel beton di dua metode; pertama dengan mencampur semen dan pra PCM diserap agregat ringan dan kedua dengan mencampur semen dan PCMs saja. D. Zhang et al. [27] memproduksi beton penyimpanan energi panas dengan menggunakan agregat berpori, yang diserap jenis butil stearat PCM. agregat ini dicampur dengan semen dan bahan baku lainnya untuk menghasilkan beton penyimpanan energi panas. Mereka telah menemukan bahwa beton penyimpanan energi panas dapat diterapkan pada bangunan untuk konservasi energi.
Kelemahan dari penggabungan langsung adalah bahwa PCMs bisa langsung berinteraksi dengan bahan bangunan menyebabkan degradasi sifat utama dari bahan tersebut. Selanjutnya, PCMs bisa bocor atau mengalir keluar dari bahan dan mencemari
7 lingkungan indoor.
2.3.2. Enkapsulasi
Metode enkapsulasi dikembangkan dengan tujuan mengatasi kekurangan, seperti kebocoran dan efek samping terhadap sifat material PCM yang timbul dari proses penggabungan dan pencelupan langsung. Dengan metode ini, PCM digabungkan dengan bahan bangunan setelah PCM dikapsulkan dalam wadah, sehingga tidak terjadi kontak langsung dengan bahan bangunan. Hal ini untuk mencegah degradasi bahan bangunan yang disebabkan oleh PCM. Ada dua cara metode enkapsulasi yaitu mikro- encapsulasi dan mikro-enkapsulasi.
Metode mikro-enkapsulasi, PCM yang dikemas dalam wadah khusus seperti tabung atau bola kemudian dimasukkan ke dalam bahan bangunan. Enkapsulasi mencegah PCM dari bocor luar dan dari kontak langsung dengan bahan bangunan. Ada tiga faktor utama dalam enkapsulasi PCM adalah [28]:
a. Bagaimana untuk mengakomodasi ekspansi volumetrik PCM pada saat mencair.
b. Tekanan yang timbul akibat karena ekspansi udara pada suhu yang tinggi dan selama siklus perubahan fasa padat-cair atau sebaiknya.
c. Reaksi dari PCM cair dengan bahan enkapsulasi.
T. E. Alam [28], mengusulkan metode mikro-enkapsulasi PCM sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Model enkapsulasi PCM
8 Sebuah lapisan selektif permeabel yang memungkinkan udara panas berdifusi keluar tapi tidak PCM cair akan mengatasi masalah peningkatan tekanan udara akibat perubahan volume kapsul pada siklus pemanasan. Pada saat PCM membeku dari luar-dalam (selama proses pendinginan), akan terbentuknya lapisan lapisan padat yang mampu mencegah peningkatan tekanan udara. Sebuah lapisan fleksibel akan mengakomodasi ekspansi volumetrik besar dari PCM pada saat proses peleburan, lapisan polimer yang fleksibel dan permeabel dapat digunakan untuk mengatasi kebocoran dan perubahan volumetrik yang besar.
2.4. Analisis Energi Bangunan
Pemodelan PCM sangat rumit karena kompleksitas dari fasa transisi. Penyimpanan dan pelepasan panas laten dan perubahan sifat termofisik material bahan selama perubahan fasa, serta tidak konstannya suhu pada saat perubahan fasa memberikan kontribusi terhadap kompleksitas ini. Ada berbagai program simulasi termal dapat model PCM. Beberapa dari mereka memiliki modul khusus yang dirancang untuk tujuan pemodelan PCM.
Energi Plus perangkat lunak analisis energi dan simulasi termal pada bangunan, yang menghitung kebutuhan energi pada proses pemanasan dan pendinginan bangunan yang diperlukan untuk mempertahankan kondisi termal tertentu. Sebuah representasi grafis dari keseimbangan panas untuk bagian dinding bangunan sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Skema rangkaian ketimbangan panas pada komposit dinding bangunan Keseimbangan panas pada dinding dapat dinyatakan dalam bentuk:
𝑞!"#$,",&,'" = 𝑞)"*,",&,'" + 𝑞!"#+,",&,'" + 𝑞,-$,",&,'" ( 2.1) dimana,
q”cond,o,j,t = Fluk panas konduksi menuju dinding (W/m2) q”sol,o,j,t = Fluk panas energi yang diserap (W/m2)
9 q”conv,o,j,t = Fluk panas konveksi (W/m2)
q”rad,o,j,t = Fluk panas radiasi termal masuk (W/m2).
𝑞!"#$,.,&,'" = 𝑞)"*,.,&,'" + 𝑞!"#+,.,&,'" + 𝑞,-$,.,&,'" ( 2.2) dimana,
q”cond,in,j,t = Fluk panas konduksi melalui dinding (W/m2)
q”sol,in,j,t = Fluk panas radiasi surya yang diserap dan diteruskan (W/m2) q”conv,in,j,t = Fluk panas konveksi dalam ruangan (W/m2 )
q”rad,in,j,t = Fluk panas radiasi antar permukaan dalam ruangan (W/m2).
∑2 𝐴! 𝑞"#$%,'$,!,(" + 𝑞'$*'+(,-('#$,(. + 𝑞/0/,(. + 𝑞'$(1,$-+,"#$%,(.
!34 = 0 ( 2.3 )
dimana,
Aj = Luas permukaan (m2 )
q”conv,in,j,t = Fluk panas konduksi dari permukaan j (W/m2 ) q’infiltration,t = Tambahan panas akibat infilrasi dan ventilasi (W) q’sys,t = Tambahan panas akibat sistem pemanasan/pendinginan (W) q’internal,conv,t = Tambahan panas konveksi dari dalam ruangan (W)
Penyelesaian permasalahan perubahan fasa memiliki tingkata kesulitan yang tinggi karena adanya perubahan fasa padat dan cair yang terjadi secara bersamaan, perubahan fasa antar-muka padat-cair terus bergerak dan posisinya tidak diketahui. Persamaan energi yang dibutuhkan untuk ditulis secara terpisah untuk kedua fase dan suhu mereka harus dibarengi di fasa antar-muka. Untuk itu diperlukan persamaan untuk menentukan lokasi fasa antar-muka.
Metode entalpi adalah pendekatan yang mengatasi kesulitan-kesulitan ini. Metode entalpi pada persamaan energi dapat ditulis sebagai berikut :
∇. (𝑘∇𝑇) = 𝜌/0(2)/' ( 2.4 ) atau dalam bentuk :
𝑘 ,𝚤⃗//4!2!+ 𝚥⃗//5!2!+ 𝑘0⃗//6!2!1 = 𝜌/0(2)/' ( 2.5 )
Dimana : D = Del operator k, k = konduktivitas termal bahan, T= Temperatur, ρ = densitas bahan, ∂H(T)/∂t = perubahan entalpi terhadap waktu.
10 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
3.1 Tujiuan Penelitian
Tujuan umum penelitian ini adalah mengembangkan komposit dinding bangunan yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM sebagai material penyimpan energi panas. Adapun tujuan khusus adalah:
1. Untuk mengembangkan mikro-enkapsulasi PCM dan membuat komposit dinding bangunan yang dilengkapi dengan mikro- enkapsulasi PCM sebagai bahan komposit dinding bangunan.
2. Untuk menguji sifat-sifat mekanik dan termal komposit dinding bangunan yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM
3. Untuk membangun unit pengujian karakteristik termal dalam ruangan bangunan yang dindingnya terbuat dari komposit yang dilengkapi dengan mikro- enkapsulasi PCM pada kondisi iklim kota Banda Aceh.
4. Untuk mengembangkan analisa numerik karakteristik termal bangunan pada kondisi iklim Kota Banda Aceh.
3.2 Manfaat Penelitian
Teknik enkapsulasi terutama mikro-enkapsulasi telah menarik minat banyak peneliti.
Namun, bebarapa masalah masih harus terselesaikan sebelum metode ini diaplikasi secara komersial, diantaranya:
a) PCM mikro-encapsulasi memiliki konduktivitas termal yang kecil.
b) Mikro-enkapsulasi harus dilindungi terhadap kerusakan pada saat diaplikasikan sebagai bahan bangunan (seperti kebocoran .
c) Terbatasnya data yang tersedia tentang laju penyusutan PCM mikro-encapsulasi setelah digabungkan dalam beton.
d) Terbatasnya informasi penilaian dan analisis ekonomi dan pengaruh terhadap lingkungan dari penerapan PCM mikro-enkapsulasi pada bangunan.
11 BAB 4. METODE PENELITIAN
4.1 Lokasi Penelitian
Penelitian ini akan akan dilaksanakan dalam tiga tahapan utama, tahap pertama dilaksanakan pemilihan dan persiapan material PCM dan pengujian sifat-sifat termofisiknya, tahap kedua pengembangan model perpindahan panas, dan tahap ketiga pemgujian kinerja sistem PCM pada bangunan. Gambar 3.1 memperlihatkan diagram alir pelaksanaan penelitian ini.
Gambar 3.1 Diagram alir kegiatan penelitian 4.2 Metode Penelitian
4.2.1 Pengujian Sifat-sifat Termo-Fisik PCM
Pemilihan PCM yang memiliki potensi dan sesuai digunakan pada komposit dinding
Persiapan - Lilin lebah
- Bahan untuk beton bangunan
Penyiapan mikro-enkasulasi PCM-Lilin lebah
- Pengujian sifat-sifat termal o Entalpi panas laten o Konduktivitas termal o Temperatur lelah
Penyiapan beton untuk material bangunan
o Pemilihan agregat kasar dan halus o Pengujian sifat-sifat mekanik
Penyiapan material bangunan mikro-enkapsulasi PCM-lilin lebah
o Pengujian sifat-sifat mekanik o Pengujian sifat termal
Analisis numerik Perpindahan panas pada material bangunan mikro- enkapsulasi PCM-lilin lebah
Pengujian eksperimental kinerja termal material bangunan mikro- enkapsulasi PCM-lilin lebah
Perbandingan hasil analisis numerik dengan hasil uji kinerja termal material bangunan mikro-enkapsulasi PCM-lilin lebah
Analisis data dan Penulisan laporan
akhir
12 bangunan, didasarkan pada pengujian sifat-sifat fisik dan kimia menggunakan peralatan Viscosimetry test, Differential Scanning calorimetry (DSC), Thermogravimetric analysis (TGA), PCM yang akan digunakan adalah beeswax bahan pengikat akan digunakan sekam padi.
4.2.2 Penyiapan Mikro-Enkapsulasi Komposit PCM
Pada kegiatan ini akan dilakukan penyiapan PCM dalam bentuk kapsul mikro. Pada penelitian ini akan digunakan metode spray coating. Kehandalan mikro- enkapsulasi PCM, diuji melalui pengujian siklus termal menggunakan DSC dan TG.
Pada kegiatan ini akan dilakukan penyiapan komposit material bangunan yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM. Kehandalan komposit diuji melalui:
- Pengujian sifat mekanik
• Uji kuat tekan
• Porositas komposit - Pengujian sifat termal
• Kapasitas penyimpan panas
• Konduktivitas termal
4.2.3 Pengujian Performan Mikro-Enkapsulasi Komposit PCM
• Penyiapan perangkat pengujian kemampuan komposit dalam menyimpan energi panas.
Perangkat penelitian yang dikembangkan, berupa kotak berbentuk bangunan dimana dindingnya adalah komposit yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM.
Pengujian dilakukan pada kondisi iklim kota Banda Aceh.
4.2.4 Analisis Energi Bangunan Berbahan Komposit PCM
• Pada tahap ini juga dilakukan pengembangan pemodelan numerik untuk simulasi penyimpanan energi panas pada komposit yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM. Validasi hasil pomedelan dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian.
• Analisa termoekonomi bertujuan melakukan analisa kelayakan secara termodinamik dan ekonomi penggunaan komposit yang dilengkapi dengan mikro-enkapsulasi PCM sebagai dinding bangunan pada kondisi iklim kota Banda Aceh.
13 BAB 5. HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI
5.1 Hasil Pengujian Karakteristik Agregat
Agregat halus dapat berupa pasir alam, pasir olahan atau gabungan dari kedua pasir tersebut yang dapat mengisi ruang udara dalam suatu beton. Ukuran agregat halus bervariasi antara No. 4 dan No. 100 saringan Standart Amerika. Untuk pengujian agregat halus dapat dilihat pada tahapan berikut :
Analisa Saringan (Sieve Analysis)
Pengujian ini bertujuan untuk membuat distribusi ukuran agregat halus dan pembagian butir (gradasi) suatu agregat dengan menggunakan saringan. Dari analisa yang dilakukan di dapat hasil sebagai berikut:
Tabel 5.1. Hasil Pengujian Analisa Saringan Agregat Halus
Hasil analisa saringan agregat halus menunjukkan bahwa gradasi agregat halus tersebut masuk kedalam type III yaitu pasir agak halus.
Gradasi agregat adalah distribusi ukuran butiran dari agregat. Jika butir-butir agregat mempunyai ukuran yang sama volume pori akan besar. Sebaliknya jika ukuran butir-butirnya bervariasi akan terjadi volume pori yang kecil. Hal ini terjadi karena butiran yang kecil mengisi pori diantara butiran yang besar, sehingga pori-porinya sedikit dan kemampatannya tinggi. Dari hasil analisa saringan agregat halus didapatkan pasir yang diuji masuk kedalam gradasi type III (pasir agak halus), ditunjukkan dalam grafik kurva gradasi agregat halus berikut :
40 - 12 10 - 0
- No. 100 (0,148)
Persentase Lolos (%)
3/8' (9,52) -
33,90 93,10
33,90 127,00 No. 4 (4,75)
No. 8 (2,36) Ukuran Saringan
(mm)
Tertahan Saringan (gr)
Jumlah Tertahan (gr)
16,48 37,62 84,15 303,90
694,00 1552,30 176,90
390,10 858,30
Persentase Tertahan (%)
No. 16 (1,10) No. 30 (0,50) No. 50 (0,27)
238,40
15,85 2,92 97,08
1790,70
100 98,16 93,12 83,52 62,38 -
1,84 6,88
Zona Pasir Tipe III (%) 100 - 100
100 - 90 100 - 85 100 - 75 79 - 60
Pan 53,90 1844,60 100 0
-
14 Gambar 5.1. Grafik Kurva Gradasi Agregat Halus Type III
Pengujian Berat Jenis
Pengujian ini dimaksudkan untuk menentukan berat jenis (bulk), berat jenis kering permukaan jenuh (SSD). Dari pengujian sampel agregat halus didapat hasil sebagai berikut :
Tabel 5.2. Hasil Pengujian Berat Jenis Agregat Halus
Penyerapan (Absorpsi)
Pengujian penyerapan ialah presentase berat air yang dapat diserap pori terhadap agregat kering.
0,15 0,30 0,60 1,20 2,40 4,80 10
0 20 40 60 80 90
70
50
30
10 100
10
40
79
100 100
12
60
75
85
90
PRESENTASE BUTIR LOLOS (%)
UKURAN SARINGAN (mm)
KURVA GRADASI AGREGAT HALUS TYPE III 15,85
62,38
93,12 98,12 83,52
Batas Gradasi Agr. Halus Gradasi Agr. Halus Lolos Saringan 2,92
I II
1 (SSD) 500 500
2 (Bk) 493,40 493,20
3 (B) 738,70 762,10
4 (Bt) 1051,50 1065,70
5 180 188
Sampel (gr)
Berat benda uji kering jenuh
Berat benda uji kering oven
Berat piknometer diisi air (25° C)
Berat piknometer + benda uji + air (25° C)
Berat cawan
No. Uraian
15 Tabel 5.3. Hasil Pengujian Penyerapan Agregat Halus
1. Bj bulk =79:;;<7=78 = >?@,>;
(A@B,A;9:;;)<C;:C,:;= 2,6356 ≈ 2,64 gr 2. Bj kering permukaan jenuh = :;;
79:;;<7== :;;
(A@B,A;9:;;)<C;:C,:;= 2,67 gr 3. Bj semu =7978<7=78 = >?@,>;
(A@B,A;9>?@,>;)<C;:C,:;= 2,7320 ≈ 2,73 gr 4. Penyerapan =:;;<7878 × 100% = :;;<>?@,>;
>?@,>; × 100% = 1,3376 ≈ 1,34 %
Dari hasil uji berat jenis di dapat Berat Jenis SSD rata-rata adalah sebesar 2,61gr dan dapat di klasifikasikan sebagai agregat normal karena nilainya masih dalam batas yang diijinkan yaitu 2,20–2,70gr. Penyerapan air (absorpsi) yang didapat dari hasil pengujian yaitu 1,36%.
Angka tersebut menunjukkan bahwa kemampuan agregat dalam menyerap air dari keadaan kering mutlak sampai jenuh kering muka sebesar 1,36% dari berat kering agregat itu sendiri.
Penentuan Kadar Air
Pemeriksaan ini bertujuan untuk menentukan kadar air agregat dengan cara pengeringan. Kadar air agregat yaitu perbandingan antara berat air yang terkandung dalam agregat dengan agregat dalam keadaan kering. Nilai kadar air ini digunakan untuk koreksi tekanan air untuk campuran beton yang disesuaikan dengan kondisi agregat lapangan.
Tabel 5.4. Penentuan Kadar Air Agregat Halus
I II
Bk B+500-Bt
500 B+500-Bt
Bk B+Bk-Bt 500 - Bk
Bk
Berat jenis semu (apparent ) 2,73 2,60
No Hasil Rata-
rata
1 Berat jenis bulk 2,64 2,51 2,57 gr
Uraian Sample (gr)
2,61 gr
2,67 gr
2 Berat jenis kering permukaan jenuh 2,67 2,55
4 Penyerapan (absorpsi ) x 100% 1,34 % 1,38 %
3
1,36 %
16 Agregat kasar adalah kerikil sebagai hasil desintegrasi alami dari batu atau berupa batu pecah yang diperoleh dari industri pemecah batu dan mempunyai ukuran butir antara 5 mm – 40 mm. Hasil pengujian agregat kasar dapat dilihat pada tahapan berikut :
Analisa Saringan (Sieve Analysis) Agregat Kasar
Analisa saringan ialah untuk mengetahui ukuran butir dan susunan butiran agregat.
Tabel 5.5. Hasil Pengujian Analisa Saringan Agregat Kasar
Dari hasil pengujian analisa saringan agregat kasar diperoleh agregat kasar yang terbanyak di saringan nomor 3/8” (9,52 mm) sebanyak 4062,25gr.
Pengujian Berat Jenis Agregat Kasar
Tabel 5.6. Hasil Pengujian Berat Jenis Agregat Kasar
1 77 gr
2 4,3 gr
3 495,70 gr
4 577 gr
5 572,70 gr
6 0,87 %
No. Uraian
Berat Pasir Kering + Cawan Kadar Air = W
Hasil
Berat Cawan Berat Air
Berat Pasir Kering
Berat Pasir Basah + Cawan
PAN 23,90 5000 100 0
- -
No. 16 (1,10) - - - -
No. 30 (0,50) - - - -
No. 4 (4,75) 700,00 4962,25
No. 50 (0,27) - - -
No. 100 (0,148) - - -
99,25 0,75
No. 8 (2,36) 13,85 4976,10 99,52 0,48
3/4'' (19,10) 200,00 200,00 4,00 96,00
3/8 (9,52) 4062,25 4262,25 85,25 14,76
Ukuran Saringan (mm)
Tertahan Saringan (gr)
Jumlah Tertahan (gr)
Persentase Tertahan (%)
Persentase Lolos (%)
1 1/2'' (38,1) - - - 100
17 a. Penyerapan Agregat Kasar
Tabel 5.7. Hasil Pengujian Penyerapan Agregat Kasar
1. Bj bulk = 78
7D<7E= :;;;
:;FG<@C>F= 2,6096 ≈ 2,61 gr
2. Bj kering permukaan jenuh = 7D<7E7D = :;FG<@C>F:;FG = 2,64 gr 3. Bj semu = 78<7E78 =:;;;<@C>F:;;; = 2,6968 ≈ 2,70gr
4. Penyerapan = 7D<7878 × 100% = :;FG<:;;;
:;;; × 100% = 1,24 % Penentuan Kadar Air Agregat Kasar
Tabel 5.8. Hasil Pengujian Kadar Air Agregat Kasar
1 (Bk) 5000
2 (Bj) 5062
3 (Ba) 3146
Berat Benda Uji Open
Berat Benda Uji Permukaan Jenuh Berat Benda Uji dalam Air
No Uraian Sampel
(gr)
Bk Bj - Ba
Bj Bj - Ba
Bk Bk - Ba Bj - Bk
Bk
No Uraian
1 Berat Jenis Bulk
2 Berat Jenis Kering Permukaan Jenuh
3 Berat Jenis Semu ( apparent)
4 Penyerapan (absorpsi) x 100%
Hasil
2,61 gr
2,64 gr
2,70 gr
1,24 %
18 5.2 Hasil Pengujian Beton MIkro-Enkapsulasi PCM
Metode yang digunakan untuk penelitian ini menggunakan metode Standar Nasional Indonesia (SK SNI.T-15-1990-03).
Tabel 5.9. Rencana Campuran Beton-Beeswax 5%
1 442,50 gr
2 14,30 gr
3 4985,70 gr
4 5442,50 gr
5 5428,20 gr
6 0,29 %
No.
Berat Air
Berat Kerikil Kering
Berat Kerikil Basah + Cawan Berat Kerikil Kering + Cawan Kadar Air = W
Uraian Hasil
Berat Cawan
19 Langkah Kerja Pengisian Mix Design
1. Kuat tekan beton yang disyaratkan f’c = 20 MPa pada umur 28 hari 2. Benda uji berbentuk kubus.
3. Ditetapkan nilai margin 12 Mpa.
4. Kuat tekan beton rata-rata yang ditargetkan, (f'cr = f'c + M).
f' cr = 20 + 12 = 32 Mpa.
5. Jenis Semen ditetapkan type I 6. Jenis agregat yang digunakan :
a. Agregat Kasar : Split b. Agregat Halus : Alami
No. Uraian Pekerjaan Tabel / Grafik / Perhitungan 1 Kuat Tekan yang disyaratkan Ditetapkan
2 Benda Uji Kubus
3 Deviasi Standart -
4 Nilai Tambah (Margin) Perhitungan 12 Mpa
5 Kekuatan Rata-rata yang ditargetkan Perhitungan 32 Mpa
6 Jenis Semen Ditetapkan Type I
7 Jenis Agregat : a. Kasar Batu pecah
b. Halus
8 Faktor Air Bebas Tabel 0,58
9 Faktor Air Semen Maksimum Ditetapkan 0,60
10 Slump Ditetapkan 60 - 180 mm
11 Ukuran Agregat Maksimum Ditetapkan 20 mm
12 Kadar Air Bebas Perhitungan 225 kg/m3
13 Jumlah Semen Perhitungan 388 kg/m3
14 Jumlah Semen Minimum Perhitungan 325 kg/m3
15 Susunan Besar Butir Agregat Halus Grafik Type III
16 Persentase Agregat Halus Grafik 36%
17 Persentase Agregat Kasar 64%
18 Berat Jenis Relatif Agregat Kasar Perhitungan 2,58 kg/m3
19 Berat isi Beton Grafik 2310 kg/m3
20 Kadar Agregat Gabungan Perhitungan 1697 kg/m3
21 Kadar Agregat Halus Perhitungan 610,92 kg/m3
22 Kadar Agregat Kasar Perhitungan 1086,08 kg/m3
23 Proporsi Campuran :
a. Semen Perhitungan 388 kg/m3
b. Air 225 kg/m3
c. Agregat Halus 610,92 kg/m3
d. Agregat Kasar 1086,08 kg/m3
24 Koreksi Proporsi Campuran : Perhitungan
a. Semen 388 kg/m3
b. Air 238,40 kg/m3
c. Agregat Halus 607,87 kg/m3
d. Agregat Kasar 1022,41 kg/m3
FORMULIR ISIAN RANCANGAN BETON CAMPUR BEESWAX 5%
Nilai
20 Mpa pada 28 hari, bagian cacat 5%, K = 1,64
Alami (Batu tidak pecah)
20 7. Faktor Air Bebas = 0,58
8. Nilai Slump ditetapkan 60–180 mm 9. Ukuran agregat maksimum ditetapkan 10. Kadar air bebas 225 kg/m3
Jika agregat halus alami dan agregat kasar batu pecah, kadar air bebas dihitung sebagai berikut :
Kadar Air Bebas = 2/3 Wh + 1/3 Wk Wh = Jumlah air untuk Agregat Halus Wk = Jumlah air untuk Agregat Kasar.
Untuk temperatur diatas 20oC, setiap kenaikan 5oC harus ditambahkan air sebanyak 5 liter/m3 adukan beton. Untuk Permukaan agregat yang kasar (Split) harus ditambahkan air kira-kira 10 liter/m3 beton.
kadar air bebas sementara = 2/3 195 + 1/3 225 = 205 kg/m3
Ruang laboratorium ± 30oC. lalu ditambahkan 10 liter/m3 kemudian untuk Permukaan agregat yang kasar (Split) harus ditambahkan 10 liter/m3.
Jadi kadar air bebas = 2/3 195 + 1/3 225 = 225 kg/m3 11. Jumlah semen = HEIEJ LMJ 7NOEP
Q-R'", -., STS-)= ;,:BGG: = 388 kg/m3 12. Jumlah semen minimum ditetapkan 325 kg/m3 13. Susunan bebas butir Agregat Halus Type III 14. Persentase agregat Halus 36%
15. Persentase agregat kasar 64%
16. Berat jenis relatif agregat gabungan 0,94 + 1,69 = 2,63 a. Berat jenis SSD agregat halus = 2,61 x 34% = 0,94 b. Berat jenis SSD agregat kasar = 2,64 x 64% = 1,69
17. Berat Isi Beton dicari dengan menggunakan grafik, sesuai dengan Berat Jenis agregat gabungan dan kadar air bebas, didapatkan nilai Berat Isi beton normal= 2338 kg/m3 18. Kadar agregat gabungan = berat isi beton - jumlah semen - kadar air =
2338 – 388 – 225 = 1725 kg/m3
19. Kadar agregat halus = 1725 kg/m3 x 34% = 621 kg/m3 20. Kadar agregat kasar = 1725 kg/m3 – 621 kg/m3 = 1104 kg/m3 21. Proporsi Campuran (agregat dalam kondisi SSD)
a. Semen = 388 kg/m3 b. Air = 225 kg/m3
21 c. Agregat halus = 621 kg/m3
d. Agregat kasar = 1104 kg/m3
22. Koreksi proporsi campuran beton normal
Apabila agregat tidak dalam keadaan jenuh kering permukaan proporsi campuran harus dikoreksi terhadap kandungan air dalam agregat.
Koreksi proporsi campuran harus dilakukan terhadap kadar air dalam agregat paling sedikit satu kali dalam sehari dan dihitung menurut rumus sebagai berikut :
Slump Test dilakukan untuk mengetahui tingkat kekentalan adukan beton, yang dapat menggambarkan kemudahan pengerjaan (workability) beton. Adapun hasil dari pengujian slump dapat dilihat pada Tabel 5.10. :
Tabel 5.10. Pengukuran Nilai Slump Test
Dari hasil pengujian slump test dapat disimpulkan bahwa nilai slump menurun akibat penambahan PCM beeswax. Hal ini dikarenakan permukaan beeswax yang licin sehingga membuat nilai kekohesifan antar agregat kecil atau tidak melekat seperti pada campuran beton biasanya.
Kuat Tekan Beton
Pengujian kuat tekan beton menggunakan Compressor Machine kapasitas 1500 kN.
Data pengujian kuat tekan beton diperoleh pada pengujian dengan benda uji kubus sesuai dengan jumlah benda uji yang telah ditentukan. Adapun hasil perhitungan kuat tekan beton rata- rata dapat dilihat pada tabel 4.11. Dari Tabel 4.11. menunjukkan bahwa kuat tekan beton meningkat seiring dengan bertambahnya umur beton. Hal ini disebabkan karena proses hidrasi pada pasta semen yang terus meningkat dan memperkuat ikatan antara material. Di umur beton 28 hari mendapatkan hasil kuat tekan maksimal yaitu 22,26 MPa. Hasil pengujian beton campur beeswax 5% mencapai kuat tekan maksimum diumur 28 hari yaitu 15,87 MPa. Hasil pengujian beton campur beeswax 10% kuat tekan diumur 14 hari yaitu 11,35 MPa, sedangkan 28 hari kuat tekan maksimum mencapai 12,73 MPa.
Tabel 5.11. Hasil Pengujian Penambahan Beeswax Terhadap Kuat Tekan
1 0 11
2 5 10,50
3 10 9,50
4 15 8
No. Volume Beeswax (%) Nilai slump (cm)
22 Dari keseluruhan hasil penujian terlihat bahwa kuat tekan beton menurun dengan bertambahnya beeswax. Kuat tekan beton normal mencapai maksimum 22,26 MPa, kuat tekan BCB 5% menurun 40%,kuat tekan BCB 10% menurun 0,75% dan kuat tekan BCB 15%
menurun sebanyak 1,65%.
Pada penelitian ini penggunaan PCM Beeswax pada campuran beton tidak meningkatkan kuat tekan beton. Hasil dari pengujian kuat tekan beton normal pada umur 28 hari menunjukkan kuat tekan maksimum sebesar 22,26 MPa, setelah mengurangi agregat kasar dan ditambahkan dengan macro-encapsulasi beeswax terjadi penurunan pada kuat tekan beton, beton campur beeswax 5% pada umur beton 28 hari menunjukkan hasil kuat tekan 15,87 MPa menurun 0,40%, beton campur beeswax 10% pada umur beton 28 hari menunjukkan hasil kuat tekan 12,73 MPa menurun 0,75%, sedangkan beton campur beeswax 15% pada umur beton 28 hari menunjukkan hasil kuat tekan 8,40 MPa menurun 1,65%.
Faktor berkurangnya mutu beton adalah sebagai berikut :
1. Permukaan sisi macro-encapsulasi beeswax yang licin mengurangi kekohesifan antar agregat penyusun beton.
2. Semakin besar presentase macro-encapsulasi beeswax yang digunakan semakin besar pula penurunan nilai slump.
Penambahan beeswax dalam beton diteliti dapat mereduksi panas yang dihasilkan dari permukaan atas dan permukaan dasar panel beton. Pada panel Beton Campur Beeswax 0%
temperatur permukaan atas (T2) mencapai 114,60°C saat di panaskan selama satu jam, saat dilepaskan temperatur menurun drastis se-per-sepuluh menitnya hingga 26,50°C. Temperatur pada permukaan dasar (T3) BCB 0% saat dipanaskan selama satu jam 34,20°C, sedangkan saat dilepaskan selama satu jam temperaturnya menurun hingga 24,80°C. Temperatur permukaan
14 18,25
28 22,26
14 14,55
28 15,87
14 11,35
28 12,73
14 6,96
28 8,40
4 15
Umur Benda Uji (Hari)
Kuat Tekan Rata - Rata (Mpa)
3 10
1 0
2 5
No. Volume Beeswax (%)
23 atas Panel BCB 5% saat dipanaskan selama satu jam mencapai 102,60°C, pelepasan temperatur selama satu jam 26,60°C. Temperatur pada permukaan dasar BCB 5% saat dipanaskan selama satu jam mencapai 41,50°C, pelepasan selama satu jam hingga 28,20°C. Temperatur permukaan atas Panel BCB 10% saat dipanaskan selama satu jam mencapai 97,30°C, pelepasan temperatur selama satu jam hingga 25,50°C. Temperatur pada permukaan dasar BCB 10% saat dipanaskan selama satu jam 37,70°C, pelepasannya 28,70°C. Temperatur permukaan atas Panel BCB 15%
saat dipanaskan selama satu jam mencapai 62,40°C, pelepasan temperatur selama satu jam menurun hingga 32,60°C. Pada permukaan dasar BCB 15% saat dipanaskan mencapai 49,90°C, sedangkan saat dilepaskan temperaturnya menurun hingga 33,50°C.
Semakin tinggi kandungan beeswax dalam panel beton maka semakin tinggi pula temperatur yang direduksi oleh beeswax. Permukaan atas BCB 0% saat dipanaskan selama satu jam mencapai 114,60°C, sedangkan temperatur BCB 15% dipanaskan dengan waktu yang sama hanya 62,40°C. Artinya panel beton yang mengandung beeswax 15% dapat mereduksi panas yang dihasilkan oleh lampu philips infra-red 150W sebanyak 52,20°C.
5.3 Pengujian Panas Pada Beton Panel
Pengujian termal beton panel dilakukan untuk mengetahui nilai temperatur yang dapat diserap oleh beton panel yang sudah dicampur dengan beeswax. Pengujian termal beton panel menggunakan alat Temperature Recorder yang dapat memindai dan menyimpan data pengujian termal benda uji. Pengujian termal dilakukan selama satu jam pemanasan dan satu jam pelepasan.
Gambar 5.2. Temperature Recorder dan Thermocouple
24
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
11:32 11:42 11:52 12:02 12:12 12:22 12:32 12:32 12:42 12:52 13:02 13:12 13:22 13:32 T2 = Temp. Atas BN T2 = Temp. Atas BCB 5%
T2 = Temp. Atas BCB 10%
T2 = Temp. Atas BCB 15%
Gambar 5.3. Penempatan Titik Termokopel Pada Beton Panel
Adapun hasil pengujian termal panel beton dapat dilihat pada tabel berikut serta grafik berikut :
Gambar 5.4 Hasil pengujian penyerapan panas
Dari Gambar 5.4. dapat dilihat bahwa temperatur permukaan atas panel beton normal yang dipindai oleh temperature recorder mencapai temperatur maksimal pemanasan yaitu 114,60°C, kemudian saat temperatur dilepaskan didapat hasil 26,50°C. Sementara temperatur dalam beton (T7) saat pemanasan mencapai 50,90°C, pelepasan didapat hasil 31,70°C.
Pemanasan temperatur pada permukaan dasar panel beton (T3) mencapai 34,20°C, pelepasan didapat hasil 24,80°C.
Temperatur Atas Beton (T2)
Temperatur Ruangan (T1)
Temperatur Dalam Beton (T7)
Temperatur Dasar Beton (T3) 20 cm
5 cm
20 cm
25 5.3 Pemodelan Analisis Numerik
Sebuah representasi grafis dari keseimbangan panas untuk bagian dinding bangunan sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 6.1.
Gambar 5.5 Skema perpindahan panas pada komposit dinding bangunan
Keseimbangan panas pada dinding dapat dinyatakan dalam bentuk:
( 1)
dimana,
q”cond,o,j,t = Fluk panas konduksi menuju dinding (W/m2) q”sol,o,j,t = Fluk panas energi yang diserap (W/m2) q”conv,o,j,t = Fluk panas konveksi (W/m2)
q”rad,o,j,t = Fluk panas radiasi termal masuk (W/m2).
Simulasi karakteristik penggunaan energi pada bangunan dengan material bangunan mengandung PCM dilakukan pada bangunan sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 10. Luas bangunan adalah 400 m2, yang dibagi dalam 3 Zona, dengan luas lantai masing-masing: Zona- 1 =200 m2, Zona-2 = 110 m2, dan Zona-3 = 90 m2. Untuk memperoleh perbandingan pengaruh penggunaan PCM pada material bangunan, simulasi juga dilakukan pada bangunan yang tidak menggunakan PCM.
26 Gambar 5.6 Ilustrasi gedung bangunan
Bagian bangunan yang menggunakan PCM yaitu atap dan dinding. Bahan untuk kontruksi atap terdiri dari, palster, beton cor dan lembar komposit PCM. Sedangkan untuk dinding menggunakan bahan plaster, batubata dan komposit PCM.
Analisis dilakukan untuk menghitung temperatur permukaan dinding dan atap, perhitungan beban pendingin ruangan. Analisis temperatur dilakukan pada bulan yang memiliki temperatur udara luar tertinggi. Sedangkan analisis beban pendingin dilakukan untuk setiap bulan selama satu tahun.
Pada analisis ini juga dilakukan optimalisasi untuk memperoleh informasi pengaruh konduktivitas termal PCM, ketebalan PCM dan temperatur ruangan. Hasil analisis ini akan ditunjukkan dalam bentuk indek penghematan energi yang dinyatakan dalam bentuk :
Dimana
IES = indek energy saving,
Etot,PCM = beban pendingin untuk bangunan dengan PCM, dan
Etot,nonPCM = beban pendingin untuk bangunan tanpa PCM.
5.4 Analisis Penyerapan Panas
Simulasi dilakukan dengan menggunakan data iklim kota Banda Aceh, yang meliputi data radiasi matahari, temperatur udara luar, kelembaban relative (RH). Gambar 14 memperlihatkan
27 data radiasi matahari dan temperatur rata-rata setiap jam pada bulan April. Dari gambar terlihat bahwa 1067 W/m2 dan temperatur rata-rata maksimum adalah 29,6oC. Berdasarkan data tersebut maka simulasi akan dilakukan pada bulan maret selama 30 hari.
Gambar 5.7 Data iklim kota Banda Aceh bulan April
Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak. Gambar 15 memperlihatkan perubahan entalpi terhadap perubahan temperatur lilin lebah.
Gambar 5.8 Kurva entalpi-temperatur lilin lebah
Hasil perhitungan temperatur permukaan dinding yang dilengkapi dgn PCM dan dinding tanpa PCM pada setiap jam diberikan dalam Gambar 16.
28 Gambar 5.9 Hasil perhitungan temperatur dinding pada setiap jam
Dari gambar terlihat, temperatur permukaan dinding PCM, mulai pukul 10.00 pagi PCM menyerap panas dan mencapai temperatur maksimumnya pada malam hari dan kemudian dilepaskan kembali sampai dengan pagi besok hari. Hal yang sama juga terjadi pada dinding tanpa PCM. Akibat adanya sifat PCM yang mengalami perubahan fasa selama penyerapan panas pada temperatur lelehnya, maka PCM mampu menghambat kenaikan temperatur permukaan dinding.
Hasil perhitungan temperatur permukaan dalam atap yang dilengkapi dengan PCM dan atap tanpa PCM pada setiap jam diberikan dalam Gambar 17.
Gambar 5.10 Hasil perhitunagan temperatur permukaan dalam atap setiap jam
Dari gambar terlihat, temperatur permukaan atap PCM, berada dibawah temperatur atap
29 tanpa PCM, hal ini PCM berfungsi dalam menyerap panas yang berasal dari sinar matahari.
Dari gambar terlihat mulai pukul 10.00 pagi PCM menyerap panas dan mencapai temperatur maksimumnya pada pukul 18.00 sore dan kemudian panas tersebut dilepaskan kembali sampai dengan pagi besok hari. Hal yang sama juga terjadi pada atap tanpa PCM. Akibat adanya sifat PCM yang mengalami perubahan fasa selama penyerapan panas pada temperatur lelehnya, maka PCM mampu menghambat kenaikan temperatur permukaan atap.
30 BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan
Penggunaan materi perubahan fasa sebagai material penyimpan energi termal pada gedung bangunan mampu menurunkan pemakaian energi dalam gedung. Sementara PCM dapat ditambahkan secara langsung atau dalam bentuk mikro ke dalam beton.
Dari hasil penelitian ii dapat disimpulkan bahwa
1. Beton yang dilengkapi dengan lilin lebah sebagai PCM, mengalami penurunan kuat beton akan tetapi disisi lain mampu menyerap dan menyimpan energi panas.
2. Hasil analisis kelayakan awal pemanfaatan PCM dalam aplikasi pada gedung bangunan mampu menurunkan beban pendingin dalam ruangan.
6.2 Saran-Saran
1. Penelitian lebih lanjut dan pengujian lapangan akan sangat diperlukan untuk memperkuat bukti keuntungan penggunana PCM pada banguan gedung.
