Jurnal Rekayasa Teknologi dan Sains Terapan | Vol.3, No.1 Februari 2020 | Page 1
Model Temperatur Lingkungan untuk Gedung di Wilayah Perkotaan
Muchamamd Chusnan Aprianto
1; Amir
21
Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Dr. KHEZ Muttaqien
email: mchusnanaprianto@gmail.com
2
Program Studi Teknik Mesin, Universitas Buana Perjuangan Karawang
email: amir@ubpkarawang.ac.id
Diterima 22 Januari 2020; Dipublikasikan 12 Februari 2020
Abstract
Urban heat island merupakan kenaikan suhu lingkungan perkotaan yang meningkat 2oC – 10oC dari
lingkungan di luar perkotaan. Salah satu parameter kenaikan suhu ini adalah meningkatnya suhu di sekitar gedung perkotaan. Model temperatur lingkungan diperlukan untuk melihat kenaikan suhu di sekitar lingkungan perkotaan. Tujuan penelitian ini adalah untuk menggambarkan model temperatur lingkungan pada gedung di wilayah perkotaan. Model temperatur dibangun menggunakan Model 3 titik transien dengan bantuan program ENVI-met. Hasil simulasi menunjukkan bahwa temperatur di dinding gedung lebih tinggi daripada suhu udara sekitarnya.
Keywords: Simulasi lingkungan, iklim mikro, ENVI-met, model 3 titik transien.
A. Pendahuluan
Kota adalah istilah yang sudah umum dikenal oleh masyarakat. Masyarakat umum yang mengenal istilah ini, seolah-olah tidak perku memperdalam studinya mengenai kota. Istilah kota ternyata memiliki berbagai pengertian tergantung sudut pandang kajiannya. Kota dapat ditinjau dari segi yuridis-administratif, segi fisik morfologis, jumlah penduduk, kepadatan penduduk, fungsinya dalam suatu wilayah organik, dan segi sosio-kultural. Segi yuridis-administratif mendefinisikan kota sebagai suatu daerah tertentu dalam wilayah negara yang dibatasi oleh batas-batas administratif yang jelas dimana keberadaannya diatur oleh peraturan tertentu, dan ditetapkan berstatus sebagai kota dan berpemerintahan tertentu dengan segala hak dan kewajibannya dalam mengetur wilayah wewenangnya (Yunus 2005).
Sujarto menyatakan bahwa kota dari segi fisik morfologis merupakan salah satu nodal point dalam wilayah yang luas, dan merupakan konsentrasi penduduk yang padat, bangunan yang didimonasi oleh struktur permanen dan kegiatan-kegiatan fungsionalnya. Elemen-elemen di atas juga akan mengalami perubahan sejalan dengan tumbuh dan berkembangnya suatu kota dan sesuai dengan sifat dinamis kota yang bersangkutan. Tinjauan kota berdasarkan jumlah penduduk adalah daerah tertentu dalam wilayah negara yang mempunyai aglomerasi jumlah penduduk minimal yang telah ditentukan dan penduduk bertempat tinggal pada satuan permukiman yang kompak. Batasan jumlah penduduk minimal dalam pengertian ini sangat diperlukan untuk ditentukan, karena sejumlah penduduk yang terkonsentrasi pada suatu tempat tersebut telah mampu mengakibatkan muncul dan tumbuhnya fungsi-fungsi tertentu sebagaimana layaknya sebuah kota. Faktor sosial, ekonomi, dan budaya yang berbeda menentukan besar batasan jumlah penduduk minimal yang ditentukan. (Yunus 2005).
Berdasarkan tinjauan kepadatan penduduk, kota adalah suatu daerah dalam wilayah negara yang ditandai oleh sejumlah kepadatan penduduk minimal tertentu, kepadatan penduduk tercatat dan teridentifikasi pada sataun permukiman yang kompak. Pengertian ini tidak jauh berbeda dari segi jumlah penduduk. Keduanya menekankan pentingnya batasan minimal suatu penduduk pada kota. Kepadatan penduduk urban digunakan sebagai indikator apakah suatu daerah sudak masuk dalam ketegori kekotaan atau belum (Yunus 2005).
Kota berdasarkan fungsinya sebagai suatu wilayah organik didefinisikan sebagai suatu wilayah tertentu yang berfungsi sebagai pemusatan kegiatan yang beraneka ragam dan sekaligus berfungsi sebagai simpul kegiatan dalam peranannya sebagai kolektor dan distributor barang dan jasa dari wilayah
Jurnal Rekayasa Teknologi dan Sains Terapan | Vol.3, No.1 Februari 2020 | Page 2 hinterland yang luas. Sujarto mengungkapkan bahwa dari perspektif sungsional suatu kota dapat diartikan sebagai focal point yang merupakan pemusatan berbagai macam faktor kegiatan yang masing-masing fungsi mempunyai spesialisasi yang tinggi. Kegiatan fungsional tidak hanya berperan melayani kebutuhan kota itu sendiri, namun juga melayani kebutuhan kota-kota lain. Kegiatan tersebut di atas tidak bersifat memproduksi secara langsung dari tanah, namun merupakan kegiatan bukan pertanian (Yunus 2005).
Indonesia membagi kota menjadi 4 golongan yaitu kotamadya, kotamadya administratif, kota administratif, dan kota (Sandy 1983 dalam Yunus 2005). Kotamadya adalah sebuah kota yang jelas batas hukum wewenang pemerintah daerahnya, kemungkinan sebagian wilayahnya masih merupakan daerah pedesaan dalam penggunaan lahannya seperti sawah, perkebunan, kolam ikan, atau hutan. Kotamadya adalah tingkat II. Kotamadya administratif adalah sebuah kota yang tidak mempunyai Dewan Perwakilan Rakyat. Sebagai contoh adalah Kota Batam di Pulau Batam. Kota administratif adalah sebuah kota yang meskipun dipimpin oleh seorang walikota, tetapi masih tetap bagian sebuah daerah tingkat II. Kota administratif tidak mempunyai dewan, namun batas-batas wilayah hukum walikotanya jelas ditetapkan (Yunus 2005).
Berdasarkan beberapa tipe kota dan perkembangan kota, maka dalam membuat perencanaan kota perlu dikaji tentang iklim kota. Untuk menjawab permasalahan ini, maka model suhu untuk lingkungan sangat diperlukan dalam perencanaan tata ruang kota. Penelitian ini bertujuan untuk menggambarkan simulasi temperatur untuk lingkungan gedung di wilayah perkotaan. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mengukur perkiraan temperatur lingkungan gedung dalam fungsi waktu selama selang waktu sehari.
B. Tinjauan Pustaka Lingkungan Perkotaan
Perkembangan kota yang begitu pesat akan menyebabkan perubahanperubahan di segala bidang. Sebagai contoh, pembangunan-pembangunan yang berkembang dengan begitu cepat disertai dengan aktifitas manusia yang secara terusmenerus akan mengakibatkan peningkatan permasalah kota. Kondisi ini secara langsung maupun tidak langsung akan mempengaruhi unsur iklim di Jakarta. Perubahan unsur iklim yang paling mencolok adalah temperatur/suhu udara di lapisan permukaan sampai pada ketinggian tertentu di atas kota. Pada kota dengan kecepatan pembangunan (jumlah penduduk, kendaraan bermotor, dan industri lainnya) yang begitu cepat akan menyebabkan kecepatan kenaikan suhu meningkat. Pembangunan ini juga akanmenyebabkan lahan di Jakarta semakin sempit, pengerasan lahan, debu-debu, dan polusi udara (CO2, NO2, SO2) yang dihasilkan oleh industri.
Jumlah penduduk yang besar secara tak langsung akan menimbulkan panas. Panas ini terjadi akibat kegiatan-kegiatan penduduk yang berlangsung siang dan malam. Seseorang yang melakukan pekerjaan pasti akan mengeluarkan energi panas dan didistribusikan kesekelilingnya. Kalau jumlah penduduk yang melakukan kegiatan itu dalam jumlah yang cukup banyak dan dalam areal/daerah yang merata di jakarta akan semakin banyak pula panas yang dihasilkan. Sehingga kenaikan jumlah penduduk yang setiap tahunnya meningkat akan diiringi dengan kenaikan suhu walaupun hubungannya lemah.
Asap merupakan polusi udara yang akan bertindak sebagai gas rumah kaca yang dapat menyerap radiasi sinar matahari di atmosfer dan memantulkan radiasi ke atmosfer di dekat permukaan bumi Jakarta. Pengerasan jalan-jalan di Jakarta akan mengurangi resapan air sehingga permukaan cepat kering, Dengan keringnya permukaan tanah akan memudahkan terjadinya banyak debu. Di jalan raya debu-debu yang berhamburan lebih banyak dari lahan yang terbuka, apalagi pada jalan raya yang padat kendaraan bermotornya debu yang berterbangan hampir meyerupai kabut asap.
Partikel debu ini akan bertindak sebagai penyerap radiasi matahari yang baik dan radiasi ini akan dipantulkan kembali keatmosfer sehingga pada daerah ini suhu udara akan mengalami kenaikan. Kenaikan suhu udara akan lebih besar bila pada jalan raya yang padat kendaraan ini diapit olehbangunan gedung-gedung yang menjulang tinggi.
Jurnal Rekayasa Teknologi dan Sains Terapan | Vol.3, No.1 Februari 2020 | Page 3 Bahan pembentuk permukaan di Jakarta umumnya bahan yang daya hantar panasnya tinggi, ini menyebabkan pada waktu yang sama atau bahkan lebih singkat di kota akan menerima panas lebih banyak dibandingkan dengan di pinggiran kota. Hal ini dapat dilihat pada perbandingan antara suhu di Jakarta dengan di Cengkareng data tahun 1984-2004, Perbedaan suhu ini rata-rata tahunan adalah sebesar 100C. Hal ini disebabkan juga oleh perbedaan struktur bangunan di Jakarta dengan di
Cengkareng.
Bentuk dan orientasi bangunan gedunggedung yang menjulang tinggi pada kota menyebabkan di Jakarta menerima bahang/panas lebih banyak, karena mempunyai bidang-bidang pantul dan penyerapan radiasi matahari yang lebih luas. Hal ini terutama saat sudut datang sinar matahari kurang dari 900. Oleh karena itu, sistem pemanasan dikota cepat. Struktur bangunan yang menjulang tinggi juga menyebkan kecepatan angin yang lemah sehingga proses kehilangan bahang/panas juga relatif kecil dari pada di pinggiran kota. Pada siang hari sudut tegak lurus sinar matahari baik permukaan Perkotaan maupun desa (Cengkareng) akan mempunyai bidang serap /pantul hampir sama sehingga suhu pada siang hari hampir sama pula.
Suhu di Perkotaan juga lebih tinggi dibandingkan dengan suhu di Pondok Betung, dimana suhu rata-rata tahunan di Perkotaan adalah 26.60C sedangkan di Pondok Betung adalah sebesar 27.50C atau
perbedaan temperaturnya sebesar 10oC. Perbedaan ini disebabkan oleh karena di daerah Pondok Betung
keadaan alamnya masih tergolong sedikit mengalami perubahan dan dianggap tidak banyak berpengaruh perubahan iklim di bandingkan dengan perubahan karakteristik permukaan bumi di Perkotaan. Tapi ini bukan berarti unsur iklim di Pondok Betung selalu konstan akan tetapi juga mengalami perubahan karena daerah ini dekat dengan kota Perkotaan. Sehingga kenaikan suhu di Perkotaan akan menyebar ke daerah Pondok Betung akibat terbawa angin. Kenaikan suhu di Pondok Betung ini dapat dilihat garis normal pada grafik suhu rata-rata tahunan dimana garis normal menunjukan adanya kecondongan naik. Kenaikan suhu di pondok betung ini juga karena adanya pembangunan pabrik-pabrik, kenaikan jumlah kendaraan bermotor, dan pembangunan lainnya.
Iklim Mikro Perkotaan
Iklim mikro merupakan iklim dalam satu wilayah spesifik dalam satu area yang lebih luas. Contoh penggunaan iklim mikro, misalnya: para arsitek akan berupaya memikirkan iklim mikro suatu tempat saat ingin membangun konstruksi rumah yang ramah lingkungan, 'merancang' rumah yang hemat energy dengan memanfaatkan iklim disekitar lingkungan tempat rumah akan dibangun, sehingga rumah tersebut akan menjadi 'dingin' pada musim panas atau menjadi 'hangat' pada musim dingin. Seseorang yang bekerja di nursery atau pertamanan, biasanya akan mempertimbangkan iklim mikro guna dapat memaksimalkan tumbuhnya tanaman yang aslinya berasal dari daerah dengan iklim berbeda.
Jurnal Rekayasa Teknologi dan Sains Terapan | Vol.3, No.1 Februari 2020 | Page 4
Simulasi Envi-Met
ENVI-met untuk menggunakan format 2.5D. Format ini diekstrusi untuk membangun dan menyimpan model. Makna 2.5D berarti bahwa untuk setiap sel grid, hanya satu atas dan satu nilai batas z yang mana lebih rendah. Jarak sebuah bangunan atau tanaman dapat diatur. Format ini memiliki keuntungan bahwa daerah model dapat disimpan sebagai file teks sederhana yang bisa, untuk beberapa derajat, dibaca dan diedit di editor teks apapun, tetapi tidak memungkinkan bangunan lebih rumit yang akan dibangun di editor. Selain format ini tidak memiliki kemungkinan untuk memasukkan informasi tentang sifat-sifat fisik dari fasad dalam sel grid tertentu.
Sampai sekarang, sifat ini hanya dapat didefinisikan untuk seluruh wilayah. Format di mana daerah model dibangun dan disimpan di ENVI-met 4.0 adalah format 3D penuh. Ini tidak hanya memberikan pengguna lebih banyak kebebasan saat merancang bangunan, tetapi juga memungkinkan untuk menentukan sifat fisik setiap elemen façade secara individual. Editor dari ENVI-met sebagian besar telah dibangun kembali untuk tujuan ini dan sekarang fitur mode 3D nyata yang didasarkan pada OpenGL dan memungkinkan pengguna untuk melihat dan bekerja di daerah modelnya dari setiap sudut yang memungkinkan.
C. Metode Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan April 2015 s.d. Juli 2015. Penelitian ini menggunakan model iklim mikro pada 3 dimensi (Bruse dan Fleer, 1998). Metode ini sering digunakan untuk pemodelan iklim perkotaan, perencanaan kota, arsitektur, desain gedung. Penelitian ini menggunakan program ENVI-met. Program ENVI-met telah memiliki pengguna sebanyak 1500 sejak pertama kali dipubilkasikan. Model gedung yang dipakai adalah model gedung bertingkat 5. Suhu gedung dan lingkungan diukur dengan menggunakan ENVI-met. Perhitungan suhu didasarkan pada model 3 titik transien berdasarkan persamaan:
𝑄
𝑠𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑎𝑏𝑠+ 𝑄
𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑎𝑏𝑠− 𝜀𝜎𝑇
1,24+ ℎ
𝑐,𝑜(𝑇
𝑎𝑖𝑟− 𝑇
1∗) +
𝜆
Δ𝑥
(𝑇
2 ∗− 𝑇
1∗) =
𝑐
𝑤𝑎𝑙𝑙𝜌Δ𝑥(𝑇
1∗− 𝑇
1)
2Δ𝑡
(1)Dimana nilai 𝑄𝑠𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑎𝑏𝑠 dan 𝑄𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑎𝑏𝑠 adalah gelombang pendek (short wave) datang dan gelombang panjang (long wave) yang diserap [w]. adalah emisivitas, adalah konstanta Stefan-Bolztman. Hc,o
adalah koefisien konvensi dari dinding luar [W/(m2k)]. adalah koefisien perpindahan panas (W/mK). x adalah jarak antara dua titik (m). cwall adalah kapasitas panas dari kedua dinding (J/kgK). 𝑇𝑛(∗) adalah temperatur pada titik sebelum atau sesudah selang waktu tertentu.
Luar dinding dinding bagian dalam gedung
Gambar 2. Skema Model Tiga Titik.
D. Hasil Penelitian
Perhitungan suhu permukaan digunakan pada model temperatur. ENVI-met telah menyediakan perhitungan untuk suhu permukaan ini. Perhitungan suhu permukaan didasarkan pada model transien 3 titik (Terjung dan O’ Rourke, 1980). Parameter yang digunakan dalam simulasi adalah reflektifitas,
Jurnal Rekayasa Teknologi dan Sains Terapan | Vol.3, No.1 Februari 2020 | Page 5 penyerapan radiasi, transmisi, emisivitas, koefisien perpindahan panas, kapasitas panas spesifik dan ketebalan dinding. Skema model transien 3 titik tersusun pada Gambar 1.
Kesetimbangan energi untuk permukaan luar, dapat ditulis menggunakan persamaan model tiga titik sebagai berikut:
𝑄
𝑠𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑎𝑏𝑠+ 𝑄
𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑎𝑏𝑠− 𝜀𝜎𝑇
1,24+ ℎ
𝑐,𝑜(𝑇
𝑎𝑖𝑟− 𝑇
1∗) +
𝜆
Δ𝑥
(𝑇
2 ∗− 𝑇
1∗) =
𝑐
𝑤𝑎𝑙𝑙𝜌Δ𝑥(𝑇
1∗− 𝑇
1)
2Δ𝑡
(2)Parameter untuk persamaan di atas sesuai dengan paramater pada Persamaan 1. Untuk menyerdehanakan persamaan di atas, dilakukan menggunakan persamaan Fourier sebagai berikut:
𝛿𝑇
𝛿𝑡
=
𝜆𝛿
2𝑇
𝑐
𝑤𝑎𝑙𝑙𝜌𝛿𝑥
2(3)
Flux energi pada titik di pusat dinding dapat ditulis sebagai berikut:
(𝑃 + 2)𝑇
2∗− 𝑇
3∗= 𝑃𝑇
2+ 𝑇
1∗ (4) Dengan𝑃 =
Δ𝑥
2𝑐
𝑤𝑎𝑙𝑙𝜌
𝜆Δ𝑡
(5)Untuk titik di dalam dinding, kesetimbangan energi dapat ditulis sebagai berikut:
−𝑇
2∗+ (0,5𝑃 +
ℎ
𝑐Δ𝑥
𝜆
+ 1) 𝑇
3 ∗= 0,5𝑃𝑇
3+
ℎ
𝑐,𝑖Δ𝑥
𝜆
𝑇
𝑖 (6)Dengan hc,i adalah koefisien konveksi di dalam ruangan (7,7 W/m2.K).
Dengan menggunakan ENVI-met, simulasi model temperatur digambarkan pada Gambar 3. Berdasarkan pada Gambar 3, panas fluks sejajar dengan permukaan tidak diperhitungkan. Setiap elemen pada bahan saat ini hanya terdiri dari satu material saja. Keterbasan ini disebabkan pada persamaan model tiga titik ini bersifat linear (non dinamis), sehingga tidak mungkin secara eksplisit model perilaku termal ini terdiri dari beberapa lapisan.
Gambar 3. Simulasi Aliran Angin dan Suhu Udara dari Kawasan Gedung.
Namun, database ENVI-met menyediakan tools yang memungkinkan untuk menambah material dinding menjadi lebih dari satu lapisan. Database juga mudah diedit sehingga memungkinkan pengguna
Jurnal Rekayasa Teknologi dan Sains Terapan | Vol.3, No.1 Februari 2020 | Page 6 secara bebas menyesuaikan dinding menurut keinginannya. Berdasarkan persaman model tiga titik ini, grafik perbedaan suhu gedung dapat dibuat sebagai berikut:
Gambar 4. Grafik Perbedaan Temperatur di Lingkungan Gedung.
Metode perhitungan baru ini juga memungkinkan untuk dilakukan perkiraan kasar untuk kesetimbangan energi (heating/cooling load), masing-masing perkembangan suhu dalam bangunan tunggal. Untuk perhitungan ini bangunan yang diperlakukan sebagai volume kosong udara. Baik kapasitas panas dari elemen di dalam gedung maupun panas internal fluks dianggap untuk tujuan ini.
E. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian, maka dapat diperoleh kesimpulan bahwa persamaan model tiga titik dapat digunakan untuk menggambarkan temperatur di bagian luar gedung, bagian dalam dinding, dan bagian luar dinding. Persamaan model tiga titik dapat diaplikasikan untuk mengukur perkiraan temperatur berdasarkan fungsi waktu.
Daftar Pustaka
Bruse, M., H. Fleer, 1998: Simulating surface-plant-air interactions inside urban environments with a three dimensional numerical model, Environ. Modell. Softw.,13, 373-384.
Nainggolan, W.S., 1992. Thermodinamika: Teori dan Soal Penyelesaian. Armico. Bandung.
Tandjung, S.D., 2003. Ilmu Lingkungan. Laboratorium Ekologi Fakultas Biologi Universitas Gadjah Mada. Yogyakarta.
Terjung, W., O`Rouke, P., 1980: Simulating the casual elements of urban heat islands, Boundary-Layer Meteorology, 19, 93-118.
Weng, Q. dan Yang S., 2003. Managing The Adverse Thermal Effects of Urban Development in a Densley Populated Chinese City. Journal of Environmental Management. Xx(0000):xxx-xxx. Yunus, H.S., 2005. Manajemen Kota Perspektif Spasial. Pustaka Pelajar. Yogyakarta.
Yunus, H.S., 2006. Megapolitan: Konsep, Problematika, dan Prospek. Pustaka Pelajar. Yogyakarta.
Temperatur di bagian luar dinding Temperatur di bagian tengah dinding Temperatur di bagian dalam dinding Temperatur di bagian dalam gedung Temperatur udara
