BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II. 1. Mekanisme Pengudaraan dan Aliran Udara
Udara akan mengalir atau bergerak melalui sebuah bangunan hanya jika terdapat perbedaan tekanan. Ada dua bentuk tekanan yang akan menyebabkan aliran ini berlaku yaitu:
a) Tekanan termal yaitu perbedaan suhu antara bagian luar dan dalam bangunan.
b) Tekanan angin yang akan mangalirkan angin dari luar ke dalam bangunan.
II. 1.1. Tekanan termal
Apabila perbedaan suhu udara di luar dan di dalam bangunan berbeda maka perbedaan kemampatan juga berlaku dan menyebabkan perbedaan tekanan udara akan terbentuk. Jika suhu di dalam lebih tinggi dan dua bukaan disediakan, satu pada bagian atas dan satu lagi pada bagian bawah dinding maka udara akan mengalir keluar pada bagian atas bukaan sehingga tekanan yang lebih tinggi terbentuk pada bagian atas ruang bangunan. Sementara itu tekanan rendah terbentuk pada bagian bawah yang menyebabkan udara sejuk mengalir masuk ke dalam bangunan.
Mekanisme ini dapat memenuhi keperluan kesehatan tetapi tidak berupaya meyebabkan udara bergerak untuk memenuhi keperluan kesamaan termal. Di Pulau Pinang, Majlis Perbandaran Pulau Pinang biasanya mensyaratkan bangunan dilengkapi dengan bukaan asap pada bagian dapur dan semua lubang udara tidak dibenarkan ditutup sama sekali kecuali dengan penutup tidak tetap dan bukaan bertingkat yang bukaan tetap Gambar (2.1). Syarat-syarat ini sebenarnya bertujuan untuk menyediakan pertukaran udara bersih secara menyeluruh tanpa gangguan seperti mana yang dikehendaki oleh Undang-undang Kecil Bangunan Seragam.
4
Gambar 2.1. Bukaan udara yang ditutup dengan atap bertingkat (Ismail, 2008).
Prinsip pertukaran udara dengan tekanan termal dapat berfungsi dengan lebih baik jika ketinggian rumah lebih tinggi dengan bukaan udara keluar pada bagian teratas dan bukaan udara masuk pada bagian terbawah sekali. Sebagai contoh, konsep
"split level" dan integrasi dapat diterapkan dalam rancangan bentuk rumah untuk memastikan hasil yang optimal terhadap pertukaran udara. Gambar (2.2) menggambarkan bagaimana dapur berperan sebagai sumber udara panas di dalam sebuah rumah diterapkan dengan konsep integrasi untuk menghasilkan tekanan termal yang lebih terasa. Udara panas dari dapur akan bergerak ke atas dengan lebih terasa oleh konsep integrasi dan keluar langsung ke rongga di puncak atap.
Selanjutnya udara sejuk akan mengalir masuk melalui ruang tamu ke ruang dapur melalui proses percampuran. Prinsip rancangan bentuk ini sebenarnya lebih terasa daripada rancangan bentuk yang meletakan dapur pada tingkat bawah dan mengharapkan pertukaran udara berlaku dengan bukaan pada tingkat bawah saja.
Gambar 2.2. Penerapan konsep integrasi (Ismail, 2008).
Tekanan termal menjadi lebih terlihat apabila perbedaan tingginya lebih besar.
Satu lagi contoh penerapan pengaliran udara secara tekanan termal ialah dengan prinsip peneduhan dengan menggunakan elemen landskap. Gambar (2.3) menggambarkan peneduhan dan pengudaraan secara terus yaitu pohon-pohon yang rimbun meneduhi atap rumah supaya panas matahari dapat dikurangi.
Gambar (2.4) juga menggambarkan bagaimana udara sejuk dari rimbunan pohon- pohon yang ada berdekatan dengan rumah dapat dihisap ke dalam rumah secara tidak langsung dengan kaedah tekanan termal.
Gambar 2.3. Pengudaraan secara langsung
Gambar 2.4. Pengudaraan secara tidak langsung (Ismail, 2008).
II. 1.2. Tekanan angin
Ventilasi udara adalah pergerakan udara di dalam rumah dan antara ruang dalam dengan ruang luar. Kontrol terhadap ventilasi udara pada desain rumah adalah hal penting saat melakukan proses desain rumah ( desain interior maupun eksterior). Mendesain ventilasi udara agar nyaman, menghilangkan udara panas dan membuat penghuni betah merupakan fungsi utama dari ventilasi.
Ada dua tipe ventilasi yang diakibatkan oleh tekanan angin yaitu cross ventilation dan single side ventilation. Tipe cross ventilation merupakan tipe yang memasukkan udara ke dalam ruangan dan mengeluarkan udara dari dalam ruangan searaah dengan arah angin dari luar ruangan. Tipe single side ventilation merupakan tipe yang memasukkan udara ke dalam ruangan dan mengeluarkan udara yang berlawanan dengan arah angin. Tipe cross ventilation dan single side ventilation dapat dilihat pada Gambar (2.5).
(a) (b)
Gambar 2.5. cross ventilation (a) dan single side ventilation (b) (Larsen, 2006).
Agar ruangan dapat memperoleh kesegaran dengan cross ventilation maupun tipe single side ventilation harus memenuhi ketentuan dengan lubang ventilasi minimal berukuran lima persen dari luas lantai ruangan sehingga memungkinkan volume udara yang masuk ke ruangan sama dengan volume udara yang keluar dan asap dapur atau bau kamar mandi/WC tidak bisa terbawa ke dalam ruangan (Kompas, 2007).
Aliran udara dapat dengan diatur melalui perbedaan tekanan. Tekanan positif ada pada bidang yang menerima angin, atau dimana udara memberi tekanan pada bidang. Tekanan negatif ada pada bidang dimana angin meninggalkan rumah, atau pada bidang dimana udara keluar.
Ada cara sederhana untuk mengatur aliran angin dengan menggunakan perbedaan tekanan, yaitu:
1. Menggunakan perbedaan tekanan pada sisi luar rumah.
2. Menggunakan perbedaan tekanan yang disebabkan oleh variasi tekanan dalam rumah.
II.1.3. Perpaduan tekanan angin dan tekananan termal
Dalam keadaan sebenarnya, tekanan termal dan tekanan angin sering bertindak bersama untuk menghasilkan aliran udara dan pengudaraan di dalam bangunan. Pengudaraan oleh pengaruh termal bergantung kepada hasil perbedaan suhu di dalam dan di luar bangunan serta perbedaan tinggi di antara bukaan yang teratas dan terbawah. Untuk bangunan rumah yang perbedaan tingginya terlalu kecil yaitu disekitar dua meter saja menyebabkan dampak kurang begitu terasa.
Apabila keadaan cukup panas, pengaruh termal terlalu rendah akan menghasilkan aliran udara yang terlihat ketika ada pendinginan yang mempunyai aliran pengudaraannya sendiri. Kaedah ini sebenarnya akan menjadi lebih terlihat sekiranya saluran ventilasi boleh diadakan untuk bangunan bertingkat dengan mengambil ketinggian keseluruhan atau sebagian bangunan ini. Pengaruh termal yang membentuk aliran udara dengan perbedaan tekanan saja menghasilkan aliran dengan kelajuan yang rendah.
Aliran udara yang dihasilkan oleh tekanan angin akan mengalirkan angin hampir ke seluruh ruangan, sementara aliran oleh pengaruh termal hanya tertumpu di bagian yang berdekatan dengan bukaan saja. Jika kedua makanisme ini dapat diimbangi dengan perincian rancangan bentuk yang tepat dan dibenarkan bertindak bersama maka aliran udara yang lebih terasa dari segi pertukaran udara dan kelajuan akan dapat dihasilkan.
Pada Gambar (2.6) dapat terlihat bagaimana tekanan angin dan tekanan termal dapat mengeluarkan volume udara dalam ruangan. Tekanan termal dengan tekanan angin dari luar mengeluarkan udara melalui bukaan keluar dan udara juga bisa keluar melalui bukaan masuk.
Gambar 2.6. Perpaduan tekanan angin dan tekanan termal (Kavollis, 2008).
Pada umumnya ada tiga metode yang berbeda untuk memperkirakan laju ventilasi dalam ruangan/bangunan yaitu metode jejak gas, penghitungan dari gambaran kecepatan yang diukur pada pembukaan, penghitungan aliran udara (Larsen, 2006).
II. 2. Persamaan kontinuitas
Gambar. 2.7. Fluida inkompresibel yang mengalir dalam pipa dengan penampang yang berubah-ubah.
Gambar (2.7) menunjukkan fluida yang mengalir dalam pipa dengaan luas penampang berubah-ubah. Bayangan di bagian kiri menunjukkan volume fluida yang mengalir ke dalam pipa di titik 1 dalam suatu waktu Dt. Jika kelajuan fluida di titik ini adalah v1 dan luas penampang pipa adalah A1, maka volume yang mengalir ke dalam pipa dalam waktu Dt adalah
t v A V = × ×D
D 1 1 (2.6)
Karena diasumsikan fluida adalah inkompresibel maka volume fluida yang sama harus mengalir keluar pipa di titik 2 seperti ditunjukkan oleh bayang- bayang di bagian kanan. Maka kelajuan fluida di titik ini adalah v2 dan luas penampang adalah A2 maka volumenya adalah
t v A
V = × ×D
D 2 2 (2.1)
Karena volume-volume ini sama maka didapatkan:
A1×v1×Dt= A2×v2×Dt (2.2)
2 2 1
1 v A v
A × = × (2.3)
A v dinamakan laju aliran volume Qv. Dimensi Qv adalah volume per waktu. Dalam aliran fluida inkompresibel yang tunak laju aliran volume adalah sama di setiap titik dalam fluida.
=
×
= A v
Q konstan (2.4)
Persamaan ini dinamakan persamaan kontinuitas (Tippler, 1998).
II. 3. Perhitungan Tentang Ventilasi
Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan dalam ruangan tertutup adalah temperatur udara, kelembaban udara, temperatur radiasi rata-rata dari dinding dan atap, kecepatan gerakan udara, tingkat pencahayaan dan distribusi cahaya pada dinding pandangan. Batas kenyamanan pada daerah khatulistiwa berkisar antara temperatur 22,5ºC sampai 29,5ºC dengan kelembaban udara relatif sebesar 20-50% (Dyah, 2007).
Pada perancangan sistem ventilasi alami ada beberapa hal yang perlu dilakukan dilakukan yaitu:
a. Tentukan kebutuhan ventilasi udara yang diperlukan sesuai fungsi ruangan.
b. Tentukan ventilasi gaya angin atau ventilasi gaya termal yang akan digunakan (SNI 03-6572, 2001).
II. 3.1. Ventilasi Gaya Angin
Faktor yang mempengaruhi laju ventilasi yang disebabkan gaya angin termasuk : a. Kecepatan rata-rata.
b. Arah angin yang kuat.
c. Variasi kecepatan dan arah angin musiman dan harian.
d. Hambatan setempat, seperti bangunan yang berdekatan, bukit, pohon dan semak belukar.
Kecepatan angin biasanya terendah pada musim panas dari pada musim dingin..
Pada beberapa tempat tertentu kecepatannya di bawah setengah rata-rata kecepatan angin musiman untuk lebih dari beberapa jam per bulan. Karena itu, sistem ventilasi alami sering dirancang untuk kecepatan angin setengah rata-rata dari musiman.
Persamaan (2.5) di bawah ini menunjukkan kuantitas gaya udara melalui ventilasi bukaan inlet oleh angin atau menentukan ukuran yang tepat dari bukaan untuk menghasilkan laju aliran udara :
v A C
Q = V × × (2.5)
dengan :
Q = laju aliran udara (m3/s)
A = luas bebas dari bukaan inlet (m2) v = kecepatan angin (m/s)
CV = effectiveness dari bukaan
(CV dianggap sama dengan 0,5 ~ 0,6 untuk angin yang tegak lurus dan 0,25 ~ 0,35 untuk angin yang diagonal) (SNI 03-6572, 2001).
II. 3.2. Ventilasi Gaya Termal
Perbedaaan tekanan yang diakibatkan oleh perbedaan suhu di dalam dengan di luar ruangan dapat dirumuskan sebagai berikut:
i i buoyancy
T T H T
H g
P 0 ( 1 0) - 0
× -
×
×
=
D r (2.6)
Pada umumnya cara mudah untuk menghitung tekanan udara yang melalui satu pembukaan dapat dirumuskan sebagai berikut:
r A P
C
Q D × D
×
×
±
= 2
(2.7) dengan ∆P adalah pebedaan tekanan antara di dalam dan di luar bangunan. Tanda (±) merupakan arah dari aliran udara, dengan tanda (+) jika arah aliran udaranya keluar dari ruangan dan tanda (–) jika arah aliran udaranya memasuki ruangan.
Sedangkan laju aliran yang dijalankan oleh tekanan termal melalui pembukaan tunggal dapat ditemukan dengan rumus berikut:
( )
r r
1 0 1 0 1
2 0
T T H T
H g A
C
Q D
× - -
×
×
×
×
×
±
= (2.8)
(Larsen, 2006).
dengan r=r0 Dh
= H - H1 0
sehingga
( )
i i
D T
T T h A g
C
Q 2× ×D × - 0
×
×
±
= (2.9)
dengan Q = laju aliran udara (m3/s) g = percepatan gravitasi
A = luas bebas dari bukaan (m2)
CD = koefisien tipe bukaan ( CD = 0,6 - 0,75 ) Dh = ketinggian bukaan (m)
Ti = suhu di dalam ruangan (K) T0 = suhu di luar ruangan (K)
