Analisis Beban Pendinginan dengan Metode Cooling Load Temperature Difference pada Ruang Perkuliahan Gedung F Institut Teknologi Kalimantan - Repository ITK

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sistem Pengkondisian Udara

Diadakannya suatu sistem pengkondisian udara adalah agar tercapainya suatu kondisi dimana temperatur, kelembaban, kebersihan, dan distribusi udara dalam ruangan dapat dipertahankan pada tingkat keadaan yang diharapkan. Suatu sistem pengkondisian udara bisa berupa sebuah sistem pemanasan, pendinginan, dan ventilasi.

Untuk kondisi iklim Indonesia yang memiliki iklim tropis, proses pengkondisian udara yang berupa pendinginan banyak sekali digunakan. Pendingin berfungsi untuk menciptakan kondisi nyaman bagi beberapa aktivitas manusia. Bangunan besar biasanya menggunakan sistem pengkondisian udara central. Sistem tersebut mungkin terdiri dari satu atau lebih mesin pendingin air (water-chiling plants) dan mesin pemanas air (secara tradisional berupa sebuah ketel) yang diletakkan di dalam suatu ruangan mesin. Ruangan yang dikondisikan mengunakan satu atau lebih sistem saluran udara dan udara balik atau dapat juga dalam bentuk aliran air panas atau dingin melalui pipa ke penukar kalor (heat exchangers) yang terdapat pada ruangan tersebut.

(Rianto, 2007) Kenyamanan termal merupakan perasaan dimana seseorang merasa nyaman dengan keadaan temperatur lingkungannya, yang dalam konteks sensasi digambarkan sebagai kondisi dimana seseorang tidak merasakan kepanasan maupun kedinginan pada lingkungan tertentu (Susanti & Aulia, 2013). Adapun faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal orang adalah sebagai berikut:

1) Temperatur

Daerah kenyamanan termal untuk daerah tropis dapat dibagi menjadi:

a) Sejuk nyaman, antara temperatur efektif 20,5⁰C-22,8⁰C.

b) Nyaman optimal, antara temperatur efektif 22,8⁰C-25,8⁰C.

c) Hangat nyaman, antara temperatur efektif 25,8⁰C-27,1⁰C.

2) Kelembaban

Untuk daerah tropis, kelembaban udara relatif yang dianjurkan antara 40%-50%, tetapi untuk ruangan yang jumlah orangnya padat seperti ruang pertemuan, kelembaban udara relatif masih diperbolehkan berkisar antara 55%-60% (SNI, 2001)

2.2 Beban Kalor Pendinginan Udara

Beban usaha penyegaran udara dalam hal ini untuk pendinginan udara, terdapat beban kalor yang harus ditanggulangi oleh mesin pendingin untuk mencapai tingkat temperatur dan kelembaban yang diinginkan. Secara garis besar beban kalor yang harus diatasi adalah beban kalor ruangan dan beban kalor alat penyegar udara yang ada dalam ruangan. Adapun komponen utama kalor ruangan terdiri dari kalor yang berasal dari luar ruangan dan masuk ke dalam ruangan serta kalor yang bersumber dari dalam ruangan itu sendiri (Rianto, 2007)

Dalam sistem tata udara terdapat beban pendinginan luar yang berasal dari kaca, dinding, dan atap. Sedangkan beban pendinginan dalam merupakan beban pendinginan yang berasal dari dalam ruangan seperti jumlah manusia, lampu, dan jumlah barang elektronik dalam ruangan tersebut. Adapun Persamaan pada beban pendinginan luar dan beban pendinginan dalam seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1 hingga Persamaan 2.15:

(Hanifan, 2015)

a. Kaca

𝑞_{𝑔𝑙𝑎𝑠𝑠} = 𝑈_{𝑔𝑙𝑎𝑠𝑠} × 𝐴_{𝑔𝑙𝑎𝑠𝑠} × ∆𝑇 (2.1) Penjelasan:

Uglass = Koefisien perpindahan kalor (^𝑊

𝑚² . 𝐾) Aglass = Luas permukaan kaca (m²)

ΔT = Perbedaan temperatur (K)

b. Dinding

𝑞_{𝑤𝑎𝑙𝑙} = 𝑈_{𝑤𝑎𝑙𝑙} × 𝐴_{𝑤𝑎𝑙𝑙} × ∆𝑇 (2.2)

Penjelasan:

Uwall = Koefisien perpindahan kalor (^𝑊

𝑚² . 𝐾) Awall = Luas permukaan dinding (m²)

ΔT = Perbedaan temperatur (K)

c. Pintu

𝑞_{𝑑𝑜𝑜𝑟} = 𝑈_{𝑑𝑜𝑜𝑟} × 𝐴_{𝑑𝑜𝑜𝑟} × ∆𝑇 (2.3) Penjelasan:

Udoor = Koefisien perpindahan kalor (^𝑊

𝑚² . 𝐾) Adoor = Luas permukaan pintu (m²)

ΔT = Perbedaan temperatur (K)

Adapun nilai koefisien perpindahan kalor didapatkan dengan cara sebagai berikut 𝑈 = ¹

𝑅𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.4)

Dimana RTotal adalah nilai hambatan total dari seluruh hambatan termal pada lapisan yang tidak transparan seperti dinding dan atap. Dari Persamaan 2.4 untuk nilai RTotal dapat dijabarkan pada Persamaan 2.5 sebagai berikut

𝑈 = ¹

𝑅_𝑈𝑃+ 𝑅_𝑈𝐿+ 𝑅_𝐾 (2.5)

Dimana nilai RUP adalah variabel dari permukaan dalam pada lapisan tidak transparan, RUK adalah variabel dari permukaan luar tidak transparan, dan terakhir adalah RK dimana merupakan variabel dari resistansi termal bahan yang dapat dijabarkan pada Persamaan 2.6

𝑅_𝐾 = ^𝑡

𝑘 (2.6)

Nilai t adalah tebal bahan dengan satuan meter dan k adalah nilai konduktivitas termal bahan dengan satuan W/m.K. untuk mengetahui nilai dari ketiga variabel resistansi termal diatas maka selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 2.1 hingga Tabel 2.2

Tabel 2.1 Nilai Resistansi Termal pada Dinding dan Atap

Jenis Permukaan Resistansi Termal (W/m².K)

Permukaan Dalam (RUP)

Emisivitas Tinggi 0,120

Emisivitas Rendah 0,299

Permukaan Luar (RUL) Emisivitas Tinggi 0,044

*)(SNI, 2011)

Tabel 2.2 Nilai Konduktivitas Termal Bahan Bangunan

No Bahan Bangunan Densitas

(kg/m³)

Konduktivitas Termal (W/m.K)

1 Beton 2400 1,448

2 Beton ringan 960 0,303

3 Bata dengan lapisan plester 1760 0,807

4 Bata langsung dipasang tanpa

plester, tahan terhadap cuaca - 1,154

5 Plesteran pasir semen 1568 0,533

6 Kaca lembaran 2512 1,053

7 Papan gypsum 880 0,170

8 Kayu lunak 608 0,125

9 Kayu keras 702 0,138

10 Kayu lapis 528 0,148

11 Glasswool 32 0,035

12 Fibreglass 32 0,035

13 Paduan alumunium 2672 211

14 Tembaga 8784 385

15 Baja 7840 47,6

16 Granit 2640 2,987

No Bahan Bangunan Densitas (kg/m³)

Konduktivitas Termal (W/m.K) 17 Marmer/batako/terazo/keramik/

mozaik 2640 1,298

*) (SNI, 2011)

Lalu selanjutnya adalah Persamaan beban pendinginan radiasi. Beban pendinginan radiasi adalah beban pendinginan dimana kalor merambat melalui gelombang yang dihantarkan oleh cahaya matahari. Adapun Persamaannya dapat dilihat sebagai berikut

a. Beban Radiasi melalui Kaca

𝑞 = 𝐴 𝑥 𝑆𝐶 𝑥 𝑆𝐻𝐺𝐹 𝑥 𝐶𝐿𝐹𝐺 (2.7) Penjelasan:

A = Luas total kaca pada ruangan (m²) SC = Shading Coefficient/Koefisien bayangan

SHGF = Solar Heat Gain Factor/Faktor perolehan panas matahari (W/m²) CLFG = Cooling Load Factor for Glass/Faktor beban pendinginan kaca

Dimana nilai Shading Coefficient atau koefisien bayangan adalah nilai dari seberapa baik kaca mengisolasi radiasi yang masuk ke dalam ruangan, untuk Solar Heat Gain Factor atau faktor perolehan panas matahari adalah fraksi radiasi dimana radiasi ditransmisikan dan dilepaskan sebagai panas ke dalam ruangan. Untuk nilai Cooling Load Factor for Glass sendiri adalah faktor beban pendinginan yang diakibatkan dari arah jendela yang menghadap cahaya matahari per satuan waktu dimana cahaya matahari memasuki ruangan.

Kemudian adalah Persamaan beban pendinginan dalam yang terdiri dari kalor orang yang ada dalam ruangan tersebut, kalor lampu serta kalor peralatan yang ada dalam ruangan tersebut yang dapat dilihat pada Persamaan 2.8 hingga Persamaan 2.11 (Hanifan, 2015)

a. Orang (Sensibel dan Laten)

𝑞_𝑝𝑠 = 𝑍 × 𝑁₀ × 𝐶𝐿𝐹𝑃 (2.8) 𝑞_𝑝𝑙 = 𝑍 × 𝑁₀ × 1,0 (2.9)

Penjelasan:

Z = Kalor yang terkandung pada setiap kegiatan orang N0 = kapasitas orang dalam ruangan

CLFP = faktor beban pendinginan pada orang

b. Lampu

𝑞_{𝑙𝑎𝑚𝑝} = 𝑃_{𝑙𝑎𝑚𝑝} × 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙_{𝑙𝑎𝑚𝑝} (2.10) Penjelasan:

Plamp = Daya lampu

Totallamp = Jumlah lampu

c. Alat Elektronik

𝑞_{𝑡𝑜𝑜𝑙𝑠} = 𝑃_{𝑡𝑜𝑜𝑙𝑠1} + ⋯ + 𝑃_{𝑡𝑜𝑜𝑙𝑠𝑛} (2.11) Penjelasan:

Ptools = Daya peralatan

Terakhir adalah beban yang berasal dari infiltrasi udara yaitu beban dari udara yang masuk melalui celah pintu, ketika pintu terbuka dan tertutup, serta dari jendela (Suntoro et al., 2018). Adapun Persamaan yang digunakan pada infiltrasi beban pendinginan sensibel dan laten dapat dilihat di bawah sebagai berikut:

𝑞_𝑖𝑠 = 1,2 𝑥 𝑄 𝑥 ∆𝑇 (2.12)

Penjelasan:

𝑞_𝑖𝑠 = Infiltrasi sensibel beban pendinginan (W) Q = Laju aliran udara rata-rata (m³/s)

ΔT = Perbedaan temperatur (K)

Untuk nilai Q didapatkan dengan Persamaan 2.13 sebagai berikut 𝑄 =^{𝐴𝐶𝐻 𝑥 𝑉}

3600 (2.13)

Penjelasan:

𝑄̇ = Laju aliran udara volumetrik (m³/s) ACH (Air Change per Hour) = Pergantian udara per jam (1/h)

V = Volume ruangan (m³)

Kemudian untuk mencari nilai ACH dapat dilihat pada tabel di bawah sebagai berikut

Tabel 2.3 Tabel Pergantian Udara per Jam dalam Kondisi Panas

Tingkatan

Desain Suhu Luar,⁰C

29 32 35 38 41 43

Ketat 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 0,38

Sedang 0,46 0,48 0,50 0,52 0,54 0,56

Longgar 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,78

*)(Parsons, 1997)

Dan untuk Persamaan beban infiltrasi laten adalah sebagai berikut

𝑞_𝑖𝑙 = 3010 𝑥 𝑄 𝑥 ∆𝑊 (2.14)

𝑞_𝑖𝑙 = Infiltrasi laten beban pendinginan (W) Q = Laju aliran udara rata-rata (m³/s)

ΔW = Perbedaan rasio kelembaban udara (kg/kg)

Setelah mendapatkan seluruh beban pendinginan luar dan dalam maka didapatkan beban pendinginan total dengan persamaan berikut

𝑞_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} = 𝑞𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙+ 𝑞𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.15)

Ada tiga faktor yang perlu diperhatikan pada saat menentukan kebutuhan PK AC pada suatu ruangan, yakni daya pendingin AC (BTU/hr atau British Thermal Unit per hour), daya listrik yang dipakai (watt), dan PK compressor AC. Secara umum orang mengenal angka PK (Paard Kracht/Daya Kuda/Horse Power) pada AC.

Sebenarnya PK adalah satuan daya pada compressor AC bukan daya pendingin AC.

Namun PK lebih dikenal ketimbang BTU/hr di masyarakat awam. Berikut merupakan tabel konversi BTU/h ke PK yang disajikan pada Tabel 2.4

Tabel 2.4 Tabel Konversi BTU/h ke Paard Kracht (PK) BTU/h (British Thermal Unit per

hour) Kapasitas AC (PK)

±5000 1

⁄2

±7000 3

⁄4

±9000 1

±12000 1,5

±18000 2

±35000 3

±45000 5

*) (Azmi, 2014)

2.3 Diagram Psikometrik

Psikometri merupakan kajian tentang sifat-sifat campuran udara dan uap air, yang mempunyai arti penting di dalam bidang teknik pengkondisian udara, karena udara atmosfir tidak kering betul tetapi merupakan campuran udara dan uap air. Pada beberapa proses pengkondisian udara, kandungan air sengaja disingkirkan dari udara, tetapi pada proses yang lain air ditambahkan. Ada beberapa istilah yang dipakai dalam diagram psikometri ini yaitu seperti temperatur bola kering, temperatur bola basah, kelembapan udara, kelembapan relatif, volume spesifik, titik embun dan entalpi (Arismunandar & Saito, 1991).

2.4 Penelitian Terdahulu

Dalam membantu penelitian ini ada beberapa penelitian terdahulu yang telah dilakukan mengenai beban pendinginan. Dan berikut adalah beberapa penelitian terdahulu yang disajikan pada Tabel 2.5

Tabel 2.5 Penelitian Terdahulu

No

Nama dan Tahun Publikasi

Judul Hasil

1 (Sungadiyanto, 2006)

Studi Eksperimental Performa Mesin Pengkondisian Udara (AC) Mc Quay Dengan

Refrigeran R-22 pada Laboratorium Teknik Mesin Universitas

Negeri Semarang

Metode : Analisis Pengolahan Data

Hasil : Dari setiap variasi tersebut akan didapatkan suatu data yang akan digunakan untuk perhitungan dalam mencari beberapa formula dasar dari teknik pendingin. Dalam suatu perhitungan diperoleh besarnya beban pendingin terendah sebesar 10,2 kW dan beban pendingin tertinggi sebesar 35,56 kW. Dari hasil

analisis dapat dikatakan bahwa beban pendingin yang meningkat akan

mempengaruhi penurunan efek refrigerasi dari 74,5 kJ/kg menjadi 71 kJ/kg, dan

menurunkan COP dari 4,52 menjadi 3,64. Sedangkan beban pendingin juga akan

meningkatkan laju aliran massa refrigeran sebesar 0,14 kg/s menjadi 0,50 kg/s,

menaikkan kerja dan daya kompresor masing-masing sebesar 16,5 kJ/kg menjadi 19,5 kJ/kg dan 2,31 kW menjadi 9,75 kW, serta menaikkan laju

No

Nama dan Tahun Publikasi

Judul Hasil

pelepasan kalor kondensor sebesar 12,74 kW menjadi 45,25 kW.

2

(Ridhuan &

Rifai, 2017)

Analisa Kebutuhan Beban Pendingin dan Daya Alat Pendingin AC

untuk Aula Kampus 2 UM Metro

Metode : Cooling Load Temperature Difference (CLTD)

Hasil : Didalam hasil perhitungan di atas maka dapat disimpulkan bahwa ruang aula yang mempunyai ukuran panjang 19,85 m, lebar 7,85m, dan tinggi 3,33m dengan kapasitas 250 orang memiliki beban pendinginan sebesar 47,87 kW. Dan untuk

mendapatkan dan

mempertahankan kondisi ruangan aula yang nyaman maka diperlukan daya alat pendingin AC sebesar 1,77 kW atau setara 2,4 PK dibulatkan 2,5 PK. Untuk mendapatkan pendinginan yang merata maka perlu dibagi menjadi 5 unit alat pendingin, masing-masing daya pendingin @ ½ PK yang disebar ke masing-masing bagian, jarak dan sisi, tiga sebelah kiri dan 2 bagian disebelah kanan.

No

Nama dan Tahun Publikasi

Judul Hasil

3 (Pertiwi &

Ahyadi, 2019)

Analisis Beban Pendinginan pada

Ruangan Data Center/Server PT XX di

Gedung Summitmas II

Metode : Cooling Load Temperature Difference (CLTD)

Hasil : Dari hasil perhitungan beban pendingin yang telah dilakukan, di peroleh hasil beban pen dinginan total ruangan data center/server PT XX sebesar 387.994,83 (Btu/hr) atau setara 113,71 KW.

Kerapatan beban ruangan data center / server PT XX adalah sebesar 342,68 (Btu/hr) per ft². Dari data mesin pendingin dengan total capacity 136,65 KW sebanyak 3 unit mesin pendingin PAC (Precision Air Conditioning), masih dapat mencukupi dengan total beban pendingin dari hasil perhitungan sebesar 113,71 KW. Sehingga untuk penambahan perangkat IT dan replace masih bisa dilaku kan.

(Halaman ini sengaja dikosongkan)