HANDOUT FISIKA BANGUNAN

HANDOUT

FISIKA BANGUNAN

(TKF 3310)

oleh :

Dr.Eng.Mohammad Kholid Ridwan, ST, M.Sc.

PROGRAM STUDI FISIKA TEKNIK JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

2010

I. PENDAHULUAN

I.1. Fakta tentang bangunan dan konsep pembangunan berkelanjutan

Bangunan adalah barang yang melekat erat dalam kehidupan manusia, dari sejak permulaan manusia ada. Tercatat bahwa keberadaan bangunan ada sejak keberadaan manusia itu sendiri.

Beberapa hal yang menyangkut bangunan adalah sebagai berikut :

• Membutuhkan investasi yang sangat besar, meliputi investasi uang, waktu pengerjaan, dan juga sumber daya alam

• Bangunan yang ada di dunia saat ini telah mengkonsumsi 40% dari energi dunia dan melepaskan 1/3 CO₂ dunia.

• Di Amerika bangunan menkonsumsi 1/6 air bersih yang disediakan.

• Separo dari flourocarbon yang ada dilepaskan dari bangunan yang berdampak pada rusaknya ozone.

• Sampah yang ada di isi 40 %-nya oleh sampah dari konstruksi bangunan

Khusus data yang ada tentang bangunan di Amerika adalah sebagai berikut :

• Menggunakan listrik sebesar 65.2%

• Menggunakan energi 50% dari total energi yang terpasang.

• Melepaskan 30% dari greenhouse gas

• 136 juta ton dari CDW

• Mengkonsumsi 12% dari air bersih

• Menggunakan 40% dari bahan-bahan material mentah.

Dari fakta di atas maka terlihat bahwa bangunan bertanggung jawab atas kerusakan lingkungan dan pembangunan yang tidak berkelanjutan (unsustainable).

Beberapa indikator dari pembangunan yang tidak berkelanjutan

• Hilangnya lapisan tanah bagian atas.

• Species hewan ataupun tumbuhan yang semakin langka

• Terjadinya perubahan cuaca

• Kenaikan permukaan air laut

• Munculnya racun-racun baru

Untuk memahami tentang bangunan yang berprinsip pada sustainability, maka perlu dipahami beberapa hal yang penting

1. Definisi dari sustainability

“meeting the needs of the current generation without compromising the ability of future generations to meet their needs”

Definisi tambahan yang lain:

“A process which enables all people to realize their potential and improve their quality of life in ways which protect and enhance the Earth’s life support systems.” (Sara Parkin, Forum for the Future)

Gambaran ideal dari bangunan yang berkelanjutan di idealkan seperti halnya keberadaan pohon (gambar 1.1).

Pohon yang berdiri akan memberikan pengaruh terhadap lingkungannya sebagai berikut : 1. Meyegarkan air dan udara melalui mekanisme penyerapan air dan fotosintesa.

2. Mampu menahan air hujan.

3. Mampu menghasilkan sendiri makanannya (dari daun yang gugur) 4. Mampu menjadikan tanah subur.

5. Menggunakan dan menyimpan tenaga matahari

6. Menggunakan kembali sampah-sampah yang dihasilkannya 7. Dapat menghidupi dirinya sendiri

8. Mampu menyediakan dan mnyuburkan habitat bagi hewan dan tumbuhan lainnya 9. Mampu memberikan kenyamanan dari cuaca yang ekstreem.

10.Memberikan keheningan dan keindahan.

(Gambar 1.1) Idealisasi bangunan yang sustainable

I.2. Isu – isu penting tentang bangunan dan lingkungannya 1. "Sustainable Sites,"

Isu ini berkaitan dengan situs dimana bangunan itu akan didirikan beberapa hal yang perlu dijawab berkaitan dengan hal ini adalah :

• Apakah keberadaan bangunan tersebut meningkatkan atau merusak kualitas lingkungan yang ada di sekitarnya.

• Apakah keberadaan bangunan itu memungkinkan pemakai bisa berjalan kaki, bersepeda dan juga angkutan umum sehingga memungkinkan untuk menghemat bbm dan mengurangi polusi

• Sejauh mana site diganggu oleh konstruksi baru

• Sejauh mana air tanah bisa dikelola apakah bisa dipertahankan dengan keberadaan bangunan

2. "Water Efficiency",

Pertanyaan yan berkaitan dengan efisiensi dalam hal penggunaan air oleh keberadaan bangunan meliputi :

• Penggunaan air hujan atau air abu2 (air buangan limbah manusia yang tidak mengandung sampah berbahaya) untuk irigasi;

• Pengelolaan air buangan yang inovatif

• Penggunanan use of peralatan yang mampu mengurangi pemakaian air.

3. Energy & Atmosphere

• Efisiensi dari sistem pemanasan dan pendinginan dari bangunan

• Penggunaan energi terbarukan di situs bersangkutan

• Potensi dari bangunan dalam kontribusinya terhadap penipisan ozone.

4. Materials & Resources

• Konsep recycling dari material bangunan dan limbah bahan bangunan

• Waste management di tempat konstruksi

• Prosentasi bahan hasil recycle dari bahan bangunan yang digunakan

• Penggunaan bahan lokal sehingga lebih murah dalam konsumsi energi untuk transportasinya.

• Cepatnya bahan-bahan bangunan tersedia kembali (terbarukan kembali)

• Penggunaan kayu dari hutan yang tersertifikasi 5. Indoor Environmental Quality

• Kualitas udara dalam rumah indoor air quality

• Penghilangan asap rokok dalam rumah

• Efektifitas ventilasi

• Kualitas udara ketika masa kontruksi

• Penggunaan material yg tidak berpotensi mengeluarkan racun

• Pengontrolan bahan-bahan kimia dalam rumah misalnya cat

• Kenyamanan termal “thermal comfort”

• Penggunaan day lighting

I.3. Definisi Fisika Bangunan

Definisi tentang fisika bangunan akan memberikan kita batasan tentang cakupan ilmu yang akan dipelajari, berikut salah satu definisi yang bisa kita ambil :

• Building Physics is an applied science that studies the hygrothermal, acoustical and light related properties of building components (roofs, facades, windows, partition walls, etc.), room, building and building assemblies)*

*) Hugo Hens : Building Physics - Heat, Air and Moisture: Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises, Wiley.

Dari definisi tersebut dapat kita ambil beberapa hal yang penting diantaranya :

• Kata “applied” artinya fisika bangunan di tujukan untuk memecahkan masalah,

• Teori digunakan sebagai alat dan bukan tujuan.

• Teori yang sudah ada : termodinamika, perpindahan panas, akustika.

Tiga komponen dalam Fisika Bangunan adalah

a. Higrothermal, terdiri dari panas, udara dan kelembaban. Berkenaan dengan transfer panas, udara dan kelembaban di dalam bahan bangunan, antara bahan bangunan dan bangunan serta antara bangunan dan lingkungan sekitar, contoh, isolasi termal bangunan, kenyamanan termal, kecepatan angin dst.

b. Akustika bangunan, memperlajari gangguan (noise) di dalam bangunan dan antara bangunan dan lingkungannya, tema-tema utamanya adalah udara dan transmisi suara,noise lewat dinding lantai, atap dan sebagainya. Aplikasi untuk ruang yang kedap suara dsb

c. Pencahayaan, tema-temanya tentang pencahayaan alami dan buatan dalam hubungannya dengan konsumsi energi

I.4. Catatan tambahan tentang Fisika Bangunan

• Fisika bangunan berhubungan dengan pemenuhan kebutuhan dalam hal kenyamanan dan kesehatan penghuni, di sisi yang lain mempertimbangkan keterbatasan material, arsitektur, ekologi lingkungan, dan ekonomi.

• Kenyamanan adalah kondisi kesehatan mental dan fisik. Untuk mencapai hal tersebut tergantung faktor manusia dan lingkungannya. Bisa dilihat bahwa pemenuhan terhadap kenyamanan thermal, acoustic dan visual membutuhkan rekayasa.

• Sehat tidak selalu berarti ketiadaan penyakit, tetapi juga bersih dari bakteri dan terhindar dari stres psikologis. Untuk itu kondisi bangunan harus bersih dari VCO, radon, bakteri, debu, tengu, jamur dsb.

II. KONSEP KENYAMANAN PADA MANUSIA

II.1. Pengantar mengenai kenyamanan pada manusia

• Tubuh manusia sesungguhnya mampu untuk beradaptasi pada lingkungan yang bervariasi dalam cakupan batas cuaca yang cukup luas. Di luar kutub setiap jengkal tanah telah dihuni oleh manusia. Dalam semua wilayah tadi terdapat wilayah yang tipis bagi manusia yang dapat mendorong produktifitasnya, yang disebut ‘comfort zone.’

• Tempat perlindungan, merupakan alat utama dan pertama dalam mendapatkan kenyamanan atau human comfort.

• Tempat perlindungan tersebut mampu memodifikasi dan menciptakan kondisi yang memungkinkan manusia untuk hidup.

II.2. Faktor yang mempengaruhi kenyamanan pada manusia

Faktor utama yang berperan dalam kenyamanan dan juga yang memberikan kekuatan bertahan pada manusia adalah

• Suhu

• Radiasi Matahari

• Kecepatan Angin

• Kelembaban

• Curah Hujan

Temperatur memegang peranan terbesar, faktor yang lain berada dibelakangnya.

Gambar II.1. Dua kondisi yang ekstrem yaitu sangat panas dan sangat dingin dan bagaimana tubuh manusia meresponnya

Tubuh manusia bereaksi terhadap suhu yang panas atau dingin dengan cara mempertahankan temperatur tubuh secara konstan. Reaksi alamiah kita akan mampu mengakomodasi suhu dengan range tertentu dengan tetap merasa nyaman.

Gambar II.2. Pengaruh fisik lingkungan terhadap tubuh manusia

II.3. Bagaimana tubuh manusia bekerja?

Dengan melihat gambar 2. kita bisa mencoba mempelajari bagaimana respon tubuh manusia terhadap lingkungan sekitarnya.

1) Aktivitas akan meningkatkan metabolisme yang memacu temperatur tubuh naik 2) Pakaian berfungsi sebagai isolator, yang memungkinkan tubuh kita menahan

panas ke lingkungan.

3) Angin meningkatkan kemampuan evaporasi pada kulit/menghilangkan panas.

4) Suhu udara adalah suhu yang bersentuhan langsung dengan kulit kita, kalau suhunya diatas suhu kulit kita, kita merasa hangat dan sebaliknya.

5) Temperature di permukaan (dinding, lantai dsb) memancarkan panas radiasi ke tubuh kita dan udara sekelilingnya

6) Relative humidity (RH) adalah kandungan air yang ada dalam udara yang memengaruhi apakah keringat yang keluar dari tubuh kita bisa menyebabkan evaporative cooling, ingat : uadara yang sangat kering membuat tubuh manjadi tidak nyaman.

7) Sinar langsung dari matahari memanaskan tubuh secara radiasi meskipun suhu lingkungan tidak berubah

II.4. Kenyamanan Termal

Nyaman secara termal akan dirasakan ketika panas tubuh berada dalam kondisi equilibrium dengan lingkungan fisiknya. Tujuh faktor yang disebutkan diatas semuanya berinteraksi mempengaruhi kenyamanan termal dalam berbagai situasi manusia.

Definisi kenyamanan termal menurut ASHRAE adalah "Condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment” (ASHRAE 55-74)

Gambar II.3. Grafik zona kenyamanan manusia fungsi dari angin, suhu, RH dan radiasi

Grafik ‘COMFORT ZONE’ di atas memberikan gambaran secara kasar tentang zona nyaman manusiadalam kondisi menggunakan pakaian biasa, istirahat dan tidak dalam paparan sinar matahari secara langsung

II.5. Fungsi utama bangunan

Dalam kaitannya dengan kenyamanan manusia maka fungsi utama bangunan adalah memodifikasi cuaca “modifying climate” sehingga sesuai dengan standar kenyamanan manusia. Bangunan melaksanakan tugasnya dengan dua cara yaitu secara aktif dan pasif.

Aktif artinya menggunakan alat-alat dengan masukan energi, dan pasif adalah dengan menyandarkan kepada fenomena fisis yang melingkupinya.

II.6. Klimatologi

Salah satu ilmu yang terkait erat dengan fungsi bangunan sebagai pemodifikasi cuaca adalah klimatologi

• Klimatologi adalah ilmu yang berhubungan dengan cuaca. Sangat penting mengerti kondisi cuaca untuk bisa mendisain bangunan yang sesuai yang diinginkan bagi penghuni dan mengetahu pengaruh cuaca terhadap bangunan.

Penggolongan iklim bumi.

Secara garis besar, iklim di bumi bisa dibagi menjadi 4 golongan. Penggolongan iklim ini akan mempengaruhi desain dasar manusia dalam membangun rumah yang nyaman secara termal.

Gambar II.4. Peta penggolongan iklim di bumi.

II.7. Karakteristik iklim dan desain dasar bangunan

A. IKLIM PANAS LEMBAB

• Sepanjang pesisir Amerika Serikat, Afrika tengah, Eropa selatan, and Asia tenggara

• Matahari sangat tinggi ketika musim panas

• Musim dingin sangat panjang dan hangat

• Musim panas panjang

• Kelembaban sangat tinggi

Gambar II.5. Disain dasar bangunan untuk iklim panas lembab

Strategi bangunan untuk daerah iklim panas lembab

• Pondok terbuka dan menjulang

• Atap lebar untuk menghindari paparan sinar matahari dan hujan

• Dinding terbuka dan lantai yang tinggi untuk mendukung evaporasi oleh angin

• Desain membentang untuk memaksimalkan aliran udara

• Jendela tinggi dengan desain rumah tipis untuk menciptakan “cross ventilation”

Contoh untuk Indonesia

Salah satu bangunan yang mendukung iklim tersebut untuk Indonesia adalah joglo

Gambar II.6. Disain joglo yang merupakan khas Indonesia

B. PANAS-KERING

• Meliputi barat daya Amerika Serikat and pedalaman Amerika tengah, Afrika utara, Timur tengah, and Australia tengah

• Matahari sangat tinggi di waktu musim panas

• Pada waktu musim dingin matahari muncul sebentar

• Tidak memunculkan keringat

• Perbedaan temperatur harian sangat besar

• Kelembaban sangat rendah

Gambar II.7. Disain dasar bangunan untuk iklim panas kering

Strategi bangunan untuk daerah iklim panas kering

• Biasanya menggunakan model diesert pueblos

• Desain ventilasi kecil karena udara cukup kering (tidak lembab)

• Dinding massive untuk menyerap panas ketika siang dan dikembalikan lagi ke lingkungan ketika sore

• Seminimal mungkin permukaan yang tereskpos matahari (berdampingan erat)

• Sesedikit mungkin permukaan dalam arah timur dan barat ketika musim panas dan mendapatkan sebanyak mungkin matahari ketika musim dingin dari selatan

• Bisa digunakan kolam untuk evaporative cooling

Gambar II.8. Model Pueblos khas Meksiko

C. IKLIM SEDANG

• Meliputi daerah pertengahan garis lintang Amerika Serikat, sebagian besar Eropa, Rusia selatan, and China bagian utara

• Mengalami empat musim: cold winter, hot/humid summer, intermediate spring dan fall

• Panjang siang yang cukup

• Ketinggian matahari lebih bervariasi daripada di iklim yang panas

• Biasanya muncul salju di musim dingin

Strategi bangunan untuk daerah iklim sedang

 Sebagai contoh bangunan asli Amerika adalah wigwams

 Desain dasarnya biasanya untuk melindungi angin dingin (winter) dari utara

 Terbuka terhadap matahari dari selatan di waktu musim dingin.

 Tertutup dengan shading di sebelah timur dan barat di waktu musim panas.

 Membuka terhadap matahari di musim dingin dan terbuka untuk udara di waktu musim panas.

Gambar II.9. Disain dasar bangunan untuk iklim sedang

Gambar II.10. Bangunan model wigwam

D. IKLIM DINGIN

• Daerah di atas 45 °LU, bagian utara USA dan Kanada, Utara Eropa dan Rusia, wilayah dekat kutub

• Musim panas yang dingin

• Siang hari di musim dingin yan sangat pendek, matahari juga sangat pendek

• Muncul salju yang sangat tebal

Strategi bangunan untuk daerah iklim dingin

 Contoh yang umum adalah bangunan igloos dan timber huts

 Proteksi terhadap angin dari utara dan memaksimalkan sinar matahari musim dingin dari arah selatan

 Memproteksi terhadap salju tebal

 Seminimal mungkin permukaan untuk memproteksi terhadap dingin

 Bersambungan untuk meminimalisir permukaan dan menahan panas

 Mempunyai luas dan jumlah bukaan seminimal mungkin

Gambar II.11. Disain dasar bangunan di iklim dingin

Gambar II.12. Timber hut dan igloo sebagai bangunan khas daerah iklim dingin

III. KESETIMBANGAN PANAS MANUSIA DAN LINGKUNGAN

III.1 Persamaan Kesetimbangan Panas Pada Tubuh Manusia

Tubuh manusia dijaga sedemikian rupa dalam rentang suhu sekitar 37°C. Oleh karena itu ada kesetimbangan panas antara tubuh manusia dan lingkungannya. Secara singkat, panas yang masuk ke dalam tubuh ditambah dengan panas yang dibangkitkan oleh tubuh harus sama dengan panas yang keluar dari tubuh manusia. Jika panas yang dibangkitkan dan yang masuk lebih besar daripada panas yang dikeluarkan maka panas tubuh akan naik, demikian juga sebaliknya jika panas yang dikeluarkan lebih besar maka suhu tubuh akan turun.

Persamaan kesetimbangan panas pada manusia dapat direpresentasikan dalam berbagai macam model. Secara umum kesetimbangan panas pada manusia meliputi tiga hal pokok yaitu : Panas yang dibangkitkan oleh tubuh, transfer panas keluar dan masuk dan panas yang disimpan dalam tubuh.

Energi yang dibangkitkan dalam tubuh manusia menghasilkan tenaga dan panas yang dipancarkan ke sekeliling dengan cara radiasi, konveksi dan evaporasi air. Sejumlah kecil energi tetap tersimpan dalam tubuh yang akan menjaga tubuh tetap hangat, atau dalam temperature normal. Persamaan kesetimbangan panas pada manusia dirumuskan dalam persamaan berikut ini :

P_met = P_r + P_c + P_e + P + P (3.1) Dimana : Pmet = metabolisme tubuh, tergantung pada keadaan sekitar, aktivitas, umur jenis kelamin dan kondisi kesehatan.

P_r = panas yang keluar dari kulit secara radiasi Pc = panas yang keluar dari kulit secara konveksi P_e = panas yang keluar dari kulit secara penguapan air P = kerja yang dilakukan

P = pemanasan tubuh (body heating)

P = m cp  / (3.2)

Dimana m = massa tubuh (kg)

cp = panas spesifik dari tubuh yang mempunyai rata-rata 3300 W/kg

 = kenaikan suhu dalam t

A_d = luas permukaan tubuh manusia

P_met dapat dihitung dengan menggunakan ukuran pemakaian O₂ dalam liter per detik.

P_met = 5,8 VO₂ (W) (3.3)

Jumlah Pr , Pc dan Pe tergantung pada temperatur lingkungan. Panas yang dibangkitkan tubuh tergantung pada aktivitas yang dilakukan.

Gambar III.1. Pr , Pc dan Pe dalam hubunganya dengan suhu lingkungan dan aktivitas Untuk keadaan orang yang sedang duduk dengan suhu sekitar 18°C dengan asumsi tidak ada panas yang lepas melalui konduksi maka proporsi masing-masing sekitar :

45% radiasi 30% konveksi 25% evaporasi

Dengan naiknya aktivitas fisik maka metabolisme akan naik dengan sangat cepat.

Kenaikan metabolisme bisa sampai 4-10 kali dari kerja yang dilakukan. Oleh karena itu efisiensi sekitar 10-25%. Jika suhu tubuh konstan, panas karena kenaikan metabolisme tubuh tentu harus dikeluarkan oleh tubuh. Hal ini dilakukan dengan cara menaikan sirkulasi peredaran darah di sekitar kulit. Suhu kulit akan naik dan tentunya panas yang dikeluarkan melaui radiasi dan konveksi juga akan naik bisa dilihat persamaan 3.1.

Perubahan suhu tubuh lebih dari 1°C tidak sehat, untuk kondisi suhu tubuh tetap maka

P = 0

III.2. Luas permukaan tubuh manusia

Luas permukaan tubuh manusia bisa dihitung denganm enggunakan persamaan Dubois (Dubois and Dubois, 1916) yaitu :

725 . 0 425 ,

202 0

.

0 xW xH

A_D  (3.3)

Dimana A_D = luas permukaan Dubois W = berat badan (kg)

H = tinggi badan (m)

Ukuran standar sebesar 1.8m² biasanya digunakan untuk ukuran manusia dengan tinggi 173m dan berat 70 kg.

III.3. Regulasi Termal Tubuh

Perubahan dari temperatur lingkungan menyebabkan perubahan jumlah panas yang dikeluarkan oleh tubuh manusia. Bisa dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar III.2. Perubahan dari panas yang dikeluarkan oleh tubuh fungsi dari suhu lingkungan.

Kondisi ini cukup untuk membuat suhu tubuh manusia terjaga konstan. Untuk orang dalam kondisi nyaman termal perubahan ini tentu membutuhkan adanya upaya tubuh

untuk menciptakannya. Berikut adalah mekanisme tubuh dalam menjaga kesetimbangan tersebut.

Kondisi lingkungan yang dingin

Dari penelitian telah diketahui bahwa total panas yang dikeluarkan tubuh hampir tidak tergantung pada lingkungan di dalam ranah lingkungan tertentu. Alasannya adalah, temperatur kulit juga turun dengan turunnya suhu lingkungan. Sehingga menimbulkan turunnya panas yang dipancarkan lewat radiasi dan konveksi. Pada bagian tertentu dari tubuh perubahan temperature sangat kecil, tetapi untuk bagian tubuh yang lain perubahan cukup besar khususnya tangan dan kaki.

Dengan turunnya suhu lingkungan, suhu pemukaan kulit menurun juga dengan cara vasocontriction, yaitu konstraksi dari bejana darah di dekat permukaan kulit. Pada bagian terluar kulit tubuh terletak lemak, lemak mempunyai konduktivitas termal rendah, Sedangkan darah mempunyai konduktivitas tinggi seperti halnya air. Maka ketika aliran darah melemah, maka aliran panas dari pusat ke kulit juga melemah dan mengakibatkan aliran panas juga mengecil.

Menurunnya temperatur lingkungan menyebabkan naiknya Pr dan Pc menurut persamaan 3.1. Dari persamaan tersebut kita juga mendapatkan sebuah informasi bahwa penurunan temperatur tersebut dicounter dengan naiknya metabolisme.

Seperti halnya perubahan suhu lingkungan, perubahan suhu didalam tubuh juga bisa mengubah suhu permukaan kulit. Jika panas yang dibangkitkan tidak bisa menjaga suhu kulit yaitu sekitar 26-27°C di batang tubuh, maka tubuh menjadi menggigil dan metabolisme tubuh meningkat. Kenaikan bisa sampai 3 kali dibandingkan dengan yang terjadi di zona nyaman. Untuk waktu yang pendek kenaikan bisa sampai 10 kali. Untuk kasus orang telanjang, menggigil dimulai ketika temperatur luar sekitar 15°C.

Suhu lingkungan yang hangat

Jika suhu lingkungan naik, maka suhu kulit harus juga naik untuk bisa melepaskan panas ke lingkungan. Ini terjadi dengan naiknya sirkulasi darah di sekitar kulit untuk meningkatkan vasodilation. Darah yang beisi 90% air dengan panas spesifik yang tinggi (4200 Ws/kg) dapat mengangkut panas dengan baik tanpa adanya perubahan temperatur yang mencolok. Peningkatan sirkulasi darah di kulit otomatis meningkatkan aliran panas dari pusat tubuh ke kulit. Variasi dari aliran darat yang mengatur temperatur kulit

mempengaruhi perubahan di organ bagian dalam. Misalnya dalam kasus bekerja keras, otomatis aliran darah ke ginjal juga naik, hal ini juga akan menaikkan aktivitas hati.

Kondisi tersebut menyebabkan metabolisme naik dan panas harus dikeluarkan untuk menjaga tubuh dalam kondisi suhu konstan.

Kondisi vasocontrauction maximum mengurangi aliran darah sampai dengan 2.7.

10^3 kg/m²s. Kondisi maximum vasodilation kira-kira 37.10^3 kg/m²s. Jadi variasi aliran dalam darah kira-kira 1 sampai dengan 15 kali.

Kondisi nyaman termal

Dalam range suhu sekitar 16 sampai dengan 22°C suhu panas tubuh dijaga konstan dengan variasi sirkulasi aliran darah yang melewati kulit. Dalam range ini disebut dengan zona nyaman / comfort.

Gambar III.3. Batas atas dan bawah zona nyaman, u dan l yang ditentukan oleh kenaikan metabolisme di l dan berkeringat di u . Untuk pakaian yang ringan l = 14-

16°C dan u =20-22°C

Jika temperature turun dibawah 16°C, mekanisme ini tidak bisa lagi menjaga supaya panas tubuh terbuang lewat kulit lebih banyak. Regulasi selanjutnya dialihkan dengan kenaikan metabolisme tubuh.

Berkeringat

Ketika kesetimbangan termal tidak lagi bisa di jaga dengan vasolidasi, maka keringat mulai muncul. Kondisi ini biasanya mulai muncul di atas suhu 28°C untuk tubuh

yang telanjang dan sekitar 24°C untuk tubuh dengan menggunakan pakaian ringan (tabel di bawah ini).

Gambar III.4. Tabel perbandingan panas yang keluar dan keringat dalam beberapa rentang suhu lingkungan

Meskipun dalam zona comfort, sekitar 10% dari area kulit lembab dan ini bertanggung jawab terhadap kehilangan panas dari kulit. Bersama-sama dengan kehilangan panas dari pernafasan dan karena keringat emosi kehilangan panas ini merupakan ”insensible water loss”. Ketika keringat mulai muncul di atas suhu kenyamanan, ini masuk dalam kategori ”sensible water loss”. Tolong jangan kacaukan pengertian ini dengan sensibel dan laten heat.

Mekanisme keringat adalah sangat penting dalam lingkungan panas seperti di industri. Besarnya Pr dan Pc tergantung pada kulit dan temperatur lingkungan.

Sementara Pmet tergantung pada kerja yang dilakukan P dan efisiensi atas kerja yang akan menyisakan P. Perbedaan antara metabolisme Pmet dan beberapa panas yang dikeluarkan akan diselesaikan dengan keringat.

Pe = Pmet Pr  Pc  P P (3.4) Panas hanya bisa disimpan dalam tubuh selama periode sesaat, dalam jangka panjang

P=0. Hubungan antara panas yang hilang dengan keringat dan emisi kelembaban M (kg/s) adalah sebagai berikut :

P_e = M l (3.5)

 = effisiensi, yang didefinisikan di atas l = panas laten penguapan, 2480 kW/kg

Untuk mendapatkan efisiensi bisa dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

(3.5)

Berkeringat hanya akan terjadi pada kondisi panas lingkungan yang tinggi atau ketika metabolisme tubuh lebih tinggi daripada (P_r + P_c + P). Maka dengan kerja yang sangat keras, berkeringat bisa terjadi pada suhu lingkungan yang rendah. Kulit kemudian tidak lagi terasa kering (terjadi ketika emisi dari kelembaban kurang dari 10 g/h). Ketika keringat naik, atau ketika kapasitas dari udara untuk mengangkat kelembaban dari permukaan kulit menurun, maka kulit kita akan terasa lembab, meskipun di sekeliling tidak terdapat kelembaban yang cukup. Rasa ketidaknyamanan muncul ketika P_e naik, kalembaban tidak lagi mudah untuk diuapkan.

Panas yang disebabkan oleh evaporasi tergantung pada ambient temperatur dan relatif humidity dari udara. Emisi dari air akan meningkat dengan meningkatnya temperatur udara (Gambar III.5).

Gambar III.5. Evaporasi sebagai fungsi dari suhu dan kelembaban relatif

Jika ambient temperature sudah tinggi, maka metabolisme bisa menjadi tinggi sampai dengan P > 0. Panas tubuh kemudian menjadi naik dan terjadilah hiphotermia.

Pada sekitar panas tubuh 40°C stroke terjadi. Pada suhu 41°C keringat berhenti dan orang akan mengalami koma. Pada suhu 42°C terjadi kerusakan otak permanen dan meninggal.

Kehilangan cairan

Keringat bisa menghasilkan kekurangan cairan yang cukup besar (lihat contoh soal). Jika kehilangan cairan sekitar 5% dari cairan tubuh, maka fungsi tubuh akan terganggu. Kehilangan 10 % akan mengurangi volume darah dan sangat berbahaya.

Sebagai tambahan, berkeringat juga berarti kehilangan garam, meskipun ini tidak terlalu serius dalam jangka pendek. Air yang keluar dari urine juga menurun. Air yang hilang dalam kondisi kerja sangat keras bisa mencapai 1 kg/jam. Yang itu hanya akan bertahan selama 2 jam. Pada kondisi lingkungan yang sangat panas kehilangan cairan bisa mencapai 2,5 kg/h yang biasanya manusia hanya bisa bertahan sekitar 30 menit saja.

Panas dan kerja berat akan menghasilkan kehausan, yang mendorong orang untuk minum. Meskipun demikian seringkali respon natural ini tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan air dalam tubuh manusia.

Nilai maximum dari Pe,max didapatkan pada kondisi kerja yang berat dan nilai P_met yang tinggi. Pada kondisi kerja yang lebih ringan, uap air akan lebih sedikit keluar.

Hubungan antara emisi uap air dan metabolisme dapat ditulis sebagai berikut :

P_e = P_e,max  (const/ P_met) (3.6) Contoh-contoh soal

1. Seseorang dengan berat 75 kg dalam kondisi istirahat dan memakai pakaian secara rapat. Seberapa cepat suhu tubuh naik ?

Jawab : Pembangkitan panas sebesar 80W (metabolisme basal), persamaan (3.2.)

P = m cp/

80 = 75 . 3300 / , dimana  adalah kenaikan dalam °C, maka / = 0.00032°C/s, atau 1,2°C/h.

2. Seorang yang melakukan kerja fisik mengeluarkan panas sebesar 100W. Dia mempunyai luasan tubuh 1.8 m². Kerja yang dilakukan di ruangan yang bersuhu 26°C dan RH 50%. Kecepatan udara 0.3 m/s. Hitunglah produksi keringat yang dihasilkan.

Jawab : Dari gambar III.1, temperature kulit sekitar 33°C, jika h_r dan h_c masing-masing adalah W/m²K, maka panas yang dilepaskan adalah P_c/A = P_r/A = 6 (3326) = 42W/m² P/A = 100/1.8 = 55W/m². Perbedaan harus dilakukan untuk membedakan antara A untuk radiasi dan A untuk konveksi. Jika efisiensi adalah 25%, metabolisme adalah : 55/0.25 = 220W/m². Basal metabolisme sekitar 50W/m², jadi totalnya 270 W/m². Jika suhu tubuh konstan maka P = 0

Pe = 270  42  42  55  0 = 131 W/m².

Dari tabel 5, saturated vapour pressure untuk kulit bersuhu 33°C adalah 5000 Pa, dan vapour pressure untuk ruangan adalah 3354 untuk RH 50%. Maksimum untuk nilai Pe adalah : Pe max = 0.1 v 0.3 ( 5.10³ 1.7 10³)

Untuk v = 0.3 m/s dan Pe, max 230W/m² Pe/Pe, max = 131/230 = 0.57 Dari persamaan 3.5.

 = 1.33 0.74 0,57 = 0.74 maka P_e = M l

= 131/(2480 . 077) = 0.07 g/(sm²) atau 444 g/h.

3. Metabolisme tubuh seseorang dikarenakan kerja tertentu sebesar 300 W. Panas yang dikeluarkan melalui radiasi dan konveksi sebesar 240W. Berapa efisiensi panas yang terjadi ketika keringat muncul dan berapa besar besarnya keringat? Kecepatan udara sebesar 0.3 m/s. Suhu udara sebesar 20°C dan suhu permukaan kulit sebesar 30°C.

Partial pressure di permukaan kulit 4200 N/m² dan di suhu lingkungan sebesar 2300 N/m².

Pe,max = 0,2. 0,3^0,3 (4200  2300) = 265 W/m²

Hanya 300  240 = 60 W yang perlu dibuang oleh tubuh, untuk luasan tubuh seluas 1.8m², rasio Pe / Pe,max adalah :

60/(265 x 1.8) = 0.13, hal ini memberikan  = 1, kemudian ((300 -240)/2480) x 1 = 0.024 g/s

IV. TRANSFER PANAS DI BANGUNAN

IV.1. Perlunya Kulit Bangunan (Enclosure)

• Salah satu ciri khas dari bangunan adalah dia mempunya pembatas (kulit) yang membatasi dirinya dengan lingkungan.

• Fungsi dari kulit hampir sama dengan fungsi bangunan, diantaranya adalah mengatur panas, udara, uap, air hujan, suara, api serangga, dan juga akses

• Bisa diringkas bahwa fungsi dari kulit adalah mengontrol aliran massa dan energi

• Mengatur microclimate IV.2. Sekilas tentang aliran panas

• Panas adalah bentuk energi, seperti cahaya dan bunyi

• Temperature adalah ukuran besarnya panas.

• Panas mengalir dari tinggi ke rendah

• Besarnya aliran (flow rate) tergantung pada : Perbedaan temperature, tipe material dan model dari aliran

• Tipe aliran panas ada beberapa macam yaitu steady state vs dinamik atau satu, dua, atau tiga dimensi

• Model aliran ada konduksi, konveksi dan radiasi

Proses transfer panas yang ada di bangunan seperti yang terlihat di gambar IV.1. meliputi a. Transfer panas konduksi dalam bahan-bahan material melewati dinding,

atap dan lantai.

b. Radiasi sinar matahari melewati kaca jendela

c. Infiltrasi dari udara luar dan antar kamar di dalam rumah

d. Pelepasan panas dan air dari penerangan, alat masak dan penghuni dalam rumah

e. Pemanasan, pendinginan dan dehumidifikasi oleh HVAC dalam rumah.

Gambar.IV.1 proses transfer panas di dalam bangunan (Modeling method for energy building)

IV.3. Transfer panas pada bagian bangunan yang tidak tembus cahaya

Transfer panas yang terjadi pada bagian yang tidak tembus cahaya seperti dalam gambar IV.2. adalah sebagai berikut :

 Dalam ruangan terjadi transfer secara konveksi dan radiasi antara dinding bagian dalam dan ruangan

 Di dalam material, terjadi transfer konduksi dalam bagian yang padat dan kombinasi antara radiasi, konduksi dan konveksi dalam bagian yang berisi udara.

 Sisi dalam material yang berisi udara juga merupakan gabungan antara radiasi, konveksi dan konduksi.

 Disisi luar dinding terjadi proses radiasi dan konveksi.

Transfer panas konduksi

• Aliran panas karena kontak langsung

• Molekul yang bervibrasi

• Dominan pada benda padat

• Konduktansi adalah sifat bawaan dari bahan, mencerminkan seberapa mudah panas dapat melalui bahan yang bersangkutan.

• Sebaliknya R-value adalah mencerminkan seberapa bagus lapisan tsb dapat menahan panas

Untuk kebanyakan kasus, perbedaan temperature konstan digunakan untuk mengukur perpindahan panas secara linear. Panas yang melewati material bangunan yang homogen dirumuskan dengan :

(4.1.)

Dimana T1 dan T2 adalah temperature di dua sisi bangunan, d adalah ketebalan bahan dan

 adalah konduktivitas termal bahan.

Perhitungan heat transfer di dalam dan di luar dinding biasanya dilakukan dengan rumus sederhana berikut :

(4.2.) Dimana Ri dan Re adalah internal dan ekternal tahanan permukaan (kombinasi dari efek transfer panas radiasi dan konveksi), Trs adalah temperatur udara kering di dalam dinding (kurang lebih merupakan rata-rata dari temperatur radiasi dan temperatur udara), dan Te

adalah temperatur udara luar. Sebagai standar perhitungan tahanan permukaan dianggap tetap (fixed value), R_e = 0.04 m²K/W dan R_i = 0.13 atau 0.16 m²K/W (tergantung pada situasi). Penggunaan nilai yang tetap ini jelas merupakan penyederhaan dari fenomena fisik yang riil. Tabel di bawah ini memberikan gambaran lebih rinci tentang nilai dari konduktivitas termal bangunan.

Thermal conductivity () dan tentunya juga tahanan bervariasi tergantung pada :

• Tipe material

• Densitas dan rongga

• Konten air/kelembaban

• Kombinasi udara dan material

Beberapa nilai  dari bahan bangunan di Indonesia sbb:

Tabel 4.1.Konduktifitas termal bahan bangunan di Indonesia Nama Bahan Nilai Konduktivitas Kalor

Beton 1250

Bata 1150

Kaca 1050

Kayu 1250

Fiberglass 1150

EPS 1050

Parameter yang juga penting dalam bangunan adalah kapasitas termal. Hal ini mengindikasikan kemampuan material dalam menyimpan panas. Nilai ini diberikan dalam c (J/kgK) dan juga  (kg/m3). Dalam hubungannya dengan spesifik kapasitansi maka nilai yang paling umum dari material bangunan adalah antara 1000 sampai dengan 2000 J/kgK.

Gambar IV.2. Proses transfer panas di dinding bangunan

Gambar IV.3. Variasi dari konduktifitas termal polyurethane sebagai fungsi suhu

Tabel 4.2.Parameter termal bahan-bahan bangunan (Sumber Building Heat Transfer, 2003)

Konduktivitas termal tidaklah merupakan nilai yang tetap, tetapi berubah-ubah berdasarkan suhu. Gambar IV.3 memberikan gambaran perubahan nilai  terhadap berubahnya suhu. Perlu juga dicatat bahwa banyak industri konstruksi sangat memperhatikan nilai  dibandingkan dengan densitas panas ataupun panas spesifik. Oleh karena itu sangat banyak prosedur yang muncul dalam rangka menghitung nilai spesifik dari lamda ini.

Nilai  dari bahan material bangunan harus bisa ditentukan dengan akurasi yang besar, misalnya nilai  0.030 harus bisa diukur ketimbang nilai 0.025W/mK.

Pentingnya perhitungan nilai U dan tahanan termal

Pentingnya penentuan nilai ini dalam aplikasi praktisnya adalah sebagai berikut :

 Untuk perhitungan tingkat isolasi termal bangunan dan perhitungan kebutuhan energi (banyak negara telah menetapkan standar nilai untuk parameter di atas)

 Perhitungan dan prediksi kenyamanan termal di waktu musim dingin dan panas.

 Perhitungan resiko kondensasi dan pertumbuhan jamur.

Hal yang paling dominan adalah memang perhitungan nomer 1.

Perhitungan total nilai dilakukan dengan rumus seperti berikut :

(4.3.) Dimana R_T = tahanan termal total

R_i dan R_e = internal dan external tahanan permukaan

 (d/) = jumlah dari semua tahanan masing-masing komponen

R_j = jumlah dari tahanan udara dan lainnya yang tidak homogen Contoh perhitungan nilai U

Dinding bangunan tersebut merupakan seri dari beberapa bahan sebagai berikut :

Aluminium R = 0.11 m2 °K/W

200 mm concrete ringan R = 0.35 m2 °K/W 90 mm fiberglass R = 2.29 m2 °K/W 12.7mm gypsum R = 0.08 m2 °K/W

• Juga perlu diperhatikan adanya lapisan tipis udara di dalam dan di luar ruangan.

• Asumsikan di luar udara bergerak dengan kecepatan 12 km/hr di waktu summer R= 0.044 dan di bagian dalam R=0.12

Penggunaan U sangat penting dan dominan pada perhitungan steady state, ketika perhitungan lebih detil dibutuhkan, yatu pada perhitungan dinamis, maka parameter  dan c sangat dibutuhkan. Apakah dengan demikian, dibutuhkan perhitungan sangat detil terhadap dua parameter ini, ternyata tidak begitu mendesak dengan dua alasan.

1. Densitas material building pada kebanyakan kasus sudah banyak diketahui dengan baik dan pasti, dalam kasus yang benar-benar membutuhkan pengukuran, pengukuran juga tidak terlalu sulit.

airfilm indoor gypsum

insulation concrete

siding airfilm

outdoor R R R R R

U R



     

 1

K m W

U   











  0.33 / .

99 . 2

1 12 . 0 08 . 0 29 . 2 35 . 0 11 . 0 04 . 0

1 ₂

2. Spesifik panas pada bahan bangunan tidak terlalu banyak variasi nilainya. Secara praktis, nilai-nilai yang ada dalam banyak tabel dan standar sudah mencukupi, dan keadaan yang lain tidak banyak mengubah nilai itu.

IV.4. Trasfer panas melalui kaca

Transfer panas yang terjadi di jendela yang tembus cahaya meliputi :

1. Refleksi, absorpsi dan transmisi dari direct atau diffuse radiasi sinar matahari

2. Konduksi dan konveksi sinar matahari yang masuk ke ruang dalam

3. Konduksi dan konveksi yang terjadi kerena perbedaan temperatur di dalam dan di luar.

Karena kaca yang digunakan dalam bangunan biasanya tipis, dan konduktivitas termal dari kaca biasanya sangat tinggi bila dibandingkan dengan bahan yang lain, maka tahanan termal dari kaca biasanya di abaikan untuk menyederhanakan perhitungan.

Persamaan menghitung untuk radiasi sinar matahari yang masuk melalui kaca adalah sebagai berikut :

Q = A x SC x SCL (4.4.) Q = radiasi panas yang masuk ke dalam ruangan

A = total luas kaca m²

SC = shading koefisien (tidak berdimensi) SCL = solar cooling load factor W/m²

Hal-hal yang berkenaan dengan nilai SC dan SCL akan dibahas lengkap pada bagian perhitungan beban pendinginan.

VI.5. Contoh sederhana perhitungan heat transfer di bangunan dua dimensi 1. Hitunglah suhu di dalam ruangan Jika suhu di luar 35°C dan suhu tanah 15°C

Transmisi panas dari luar ke dalam ruang adalah : Qo-i = Li1 (to ti) + Li2 (to ti) + Li3 (to ti)

= 0.8 x l x 3.0 (35 ti ) + 0.8 x l x 4.0 (35 ti ) + 2.5 x l x 3.0 (35 ti ) = 13.1 l (35 ti ) ...(1)

Transmisi panas dari ruang ke dalam tanah Qi-tn = Li-tn (ti  ttn)

= 0.7 x l x 4 (ti 15)

= 2.8 l ti  42 l ...(2) Dengan prinsip kesetimbangan panas : Maka (1) = (2)

13.1 l (35 ti ) = 2.8 l ti  42 l 500,5 = 15.9 ti ti = 32.48 °C

2. Dengan mengasumsikan prinsip perpindahan panas yang tetap seimbang (steady state), hitunglah suhu ruangan untuk teras (sun space) dan basement.

Diketahui :

• Suhu diluar = 30

0

C

• Suhu ruang dalam (interior) = 22⁰ C

• Suhu efektif tanah = 15⁰ C

Asumsikan = panjang bangunan 

Sun-space (teras)

Transmisi panas dari ruang interior ke sun-space Q i – sp = L

i – sp (t

i – t

sp)

= 3.00 x x 3.0 (22 – t

sp)

=9(22 – t

sp)

= 198– 9t

sp ---(1) Transmisi panas dari basement ke sun-space Q bsment – sp = L

bsment – sp (t

bsment – t

sp)

= 2.00 x  x 0.7 (t

bsment – t

sp)

= 1.4(t

bsment – t

sp)

= 1.4t

bsment – 1.4t

sp --- (2) Transmisi panas dari sun-space ke udara luar Q sp – o = L

sp – o1 (t

sp – 30) + L _{sp – o2} (t

sp – 30)

= 3.00 x x 2.5 (t

sp – 30) + 2.00× ×0.3 (t

sp – 30)

=7.5( t

sp – 30) + 0.6 ( t

sp – 30)

=8.1t

sp – 243 ---(3)  (1) + (2) = (3)

198 – 9 t

sp + 1.4t 

bsment – 1.4t

sp = 8.1t

sp – 243 

441 – 18.5t

sp + 1.4t

bsment = 0 ---(4) Basement

Transmisi panas dari indoor ke basement Q i – bsment = L

i – bsment (t

i – t

bsment)

= 5.000.7 (22 – t ××

bsment)

= 3.5(22 – t

bsment)

= 77– 3.5t 

bsment ---(5) Transmisi panas dari sun-space ke basement Q sp – bsment = L

sp – bsment (t

sp – t

bsment)

= 2.00 × × 0.7 (t

spt – t

bsment)

= 1.4(t

sp – t

bsment)

= 1.4t

spt – 1.4t 

bsment ---(6)

Transmisi panas dari basement ke tanah Q bsment – tn = L

bsment – tn1 (t

bsment – t

tn) + L

bsment – tn2 (t

bsment – t

tn)

= (3.00 +3.00)×  × 0.5 (t

bsment – 15) + 7.00 ×  × 0.7 (t

bsment – 15)

= 3 (t

bsment – 15) + 4.9 (t

bsment – 15)

= 7.9t

bsment – 118.5  ---(7) Persamaan (5) + (6) = (7)

77 – 3.5t

bsment + 1.4  t

sp – 1.4t 

bsment = 7.9  t

bsment – 118.5

195.5  + 1.4 t

sp – 12.8t 

bsment = 0 --- (8) (4) ÷  441 – 18.5 t

sp + 1.4 t

bsment = 0 ---(9) (8) ÷  195.5 + 1.4 t

sp – 12.8 t

bsment = 0 ---(10) t bsment = (18.5 t_sp 441) / 1.4 --- (11)

Dari persamaan (9) masukkan persamaan (11) ke (10)

273.7 + 1.96 t

sp – 236.8 t

sp + 5,644.8 = 0 234.84 t

sp = 5,918.5 tsp = 25.2°C

Jadi suhu di teras = 25.2°C Jadi suhu di basement = 18°C

V. VENTILASI

V.1. Beberapa definisi berkaitan dengan ventilasi.

Beberapa definisi tentang ventilasi yang penting untuk diketahui terlebih dahulu diantaranya adalah

• Ventilasi adalah proses dimana udara bersih dimasukkan ke dalam ruangan untuk mengganti udara kotor.

• Tujuan utamanya adalah untuk menjamin ketersediaan udara segar, juga untuk menurunkan suhu di ruangan.

• Ventilasi alami adalah proses penyediaan dan penggantian udara dengan proses alami, yaitu dengan mengandalkan misalnya jendela, ventilator. Proses ini bergantung sepenuhnya pada perbedaan temperatur atau perbedaan tekanan.

• Ventilasi alami yang dikontrol adalah pergantian udara melalui bukaan yang spesifik misalnya jendela, pintu dan saluran ventilasi dengan mengunakan energi alami, yaitu perbedaan tekanan atau perbedaan suhu. Hal ini biasanya bisa dikendalikan dalam taraf tertentu oleh penghuni

• Infiltrasi adalah aliran udara yang tidak bisa dikontrol yang melewati lubang/saluran lain atau bocoran yang juga terjadi karena angin, perbedaan tekanan dan temperature. Berbeda dengan ventilasi, infiltrasi tidak bisa dikendalikan dan kurang diinginkan oleh penghuni, tetapi meskipun demikian infiltrasi biasanya adalah sumber ventilasi utama di sebuah rumah.

• Ventilasi mekanis atau forced ventilation adalah proses pergantian udara dengan menggunakan mesin, misalnya fan. Biasanya digunakan untuk untuk mensuplai/mengeluarkan udara atau membuat seimbang antara masukan dan keluaran. Ada beberapa kasus dimana ventilasi jenis ini sangat vital, misalnya di industri, pertambangan, tunnel-tunel bawah tanah dan sebagainya.

V.2. Tujuan ventilasi

Menjaga kenyamanan dan kesehatan adalah dua kunci dari ventilasi dalam bangunan, untuk mencapai hal tersebut maka sistem ventilasi harus memenuhi beberapa kriteria:

• Mampu memenuhi udara / oksigen sesuai dengan kebutuhan tubuh manusia (minimum 0.2 l/s/orang untuk bernafas);

• Mampu memenuhi oksigen untuk kebutuhan indutri, pertanian dan sebagainya misalnya di ruang pembakaran dan ruang mesin.

• Mampu mengeluarkan hasil respirasi (Co₂, uap air dsb) dan juga bau dari tubuh manusia atau hewan, termasuk mampu menghilanglan asap rokok.

• Mampu mengeluarkan zat-zat kimia berbahaya yang keluar dari material bangunan;

• Mampu mengeluarkan panas yang dibangkitkan oleh manusia, penerangan dan beberapa alat keperluan rumah;

• Mampu menciptakan sensasi angin sehingga tercipta keadaan segar dan nyaman (biasanya dengan kecepatan 0.1 sd 0.3 m/s).

V.3. Dasar-dasar ventilasi alami

Agar udara bisa masuk ke dalam rumah dan keluar lagi maka dibutuhkan perbedaan tekanan antara di dalam dan di luar rumah. Tahanan akan mempengaruhi besarnya debit aliran udara. Secara umum ventilasi dan infiltrasi di sebabkan karena perbedaan tekanan yang terjadi diantara sekat-sekat bangunan. Perbedaan tekanan disebabkan karena:

• Angin (atau wind effect);

• Perbedaan densitas udara karena perbedaan temperature (stack or chimney effect);

atau

• Kombinasi antara angin dan stack effect.

Wind Effect

Ketika udara mengalir karena angin, udara memasuki bukaan di bagian angin datang (windward) dan akan keluar melalui bukaan di arah angin pergi air (leeward).

Distribusi tekanan disebabkan karena angin dapat dilihat di gambar berikut.

Gambar V.1. Distribusi tekanan karena angin

Tekanan angin biasanya positif di sisi windward dan negatif di sisi leeward. Kemunculan dan berubahnya angin biasanya tergantung pada :

• Kecepatan angin dan arah angin relatif terhadap bangunan;

• Lokasi dan lingkungan sekitar dari bangunan;

• Model/bentuk bangunan.

Secara matematis tekanan pada permukaan bangunan dapat di tuliskan sebagai berikut :

Pw - Po =Cp ½  vw 2 (5.1.)

dimana

Pw = tekanan rata-rata pada permukaan bangunan (N/m² or Pa) Po = tekanan statis pada angin (N/m² or Pa)

vw = rata-rata kecepatan angin (m/s)

 = densitas udara (kg/m³)

Cp = Koefisien tekanan permukaan

Stack Effect

Ketika terjadi pergerakan udara karena perbedaan temperatur antara luar dan dalam maka arah aliran udara akan vertikal melewati hambatan yang terkecil. Perbedaan temperatur menyebabkan perbedaan densitas udara dan akhirnya menjadikan perbedaan tekanan. Hal ini akan mendorong udara mengalir.

Biasanya di musim dingin sering terjadi stack effect dikarenakan temperatur ruangan lebih tinggi dari luar, dan akhirnya udara hangat tapi naik ke atas sehingga udara luar bisa masuk melalui bagian bawah bangunan.

Ketika tekanan termal berdiri sendiri, maka muncul neutral pressure level (NPL), dimana tekanan antara dalam dan luar ruangan sama.

Pada semua level, perbedaan tekanan antara luar dan dalam ruangan tergantung pada jarak dari NPL dan perbedaan densitas udara dalam dan luar ruangan.

(5.2.) Dimana

Ps = perbedaan tekanan karena stack effect (N/m² or Pa)  = densitas udara (kg/m³)

g = gravitational constant = 9.81 m/s² h = height of observation (m)

hneutral = height of neutral pressure level (m)

T = absolute temperature (K) (subscripts i = inside and o = outside)

V.4.Desain dasar Ventilasi Alami

Untuk mendisain ventilasi alami dibutuhkan pengetahuan tentang kecenderungan arah aliran angin, strategi dan arah bukaan masuk dan keluar yaitu meliputi jendela, pintu, ventilator, skylights, vent shafts, dan lainnya

Tingkat ventilasi (Ventilation rates)

Ketika mendisain sistem ventilasi, tingkat ventilasi dibutuhkan untuk untukmenentukan besarnya ukuran fan, bukaan dan pipa udara. Metode yang bisa digunakan untuk menghitung tingkat ventilasi diantaranya adalah sebagai berikut :

(a) Tingkat maximal konsentrasi kontaminan

Persamaan peluruhan dapat digunakan untuk menggambarkan kondisi steadi-state dari konsentrasi kontaminan dan tingkat ventilasi:

Ci = Co + F / Q (5.3.)

dimana

Ci = tingkat maksimum konsentrasi kontaminan Co = konsentrasi kontaminan di luar

F = tingkat pembangkitan kontaminan di dalam rumah (l/s) Q = tingkat ventilasi (l/s)

(b) Pembangkitan Panas

Tingkat ventilasi dibutuhkan untuk menghilangkan panas dari dalam bangunan diberikan sbb:

(5.4.)

Dimana : H = panas yang dibangkitkan di dalam rumah (W) Q = ventilation rate (l/s)

cp = kapasitas panas specific dari udara air (J/kg.K)

 = densitas udara (kg/m³) Ti = suhu dalam ruangan (K) To = suhu di luar ruangan (K)

(c) Tingkat pergantian udara (Air change rates)

Pada beberapa perhitungan profesional ACH digunakan sebagai dasar perhitungan ventilasi untuk berbagai macam kebutuhan. Tingkat ventilasi dalam hubungannya dengan ACH adalah sebagai berikut:

(5.5) Dimana

Q = tingkat ventilasi (l/s)

V = konsentrasi kontaminan di luar rumah ACH = air change per hour

Rekomendasi ACH untuk berbagai ruangan

Ruangan ACH

Garasi 6

Dapur 20 - 60

Lavatory (WC) 15

Kamar Mandi 6

Tempat Boiler 15 - 30

Kebutuhan oksigen untuk berbagai keperluan Penggunaan Perkiraan jmh penghuni

Maximum (jumlah orang dalam area 100m² )

Kebutuhan udara luar (l/s/person) Kantor

- Kantor terbuka 7 10

- Ruang konferensi 50 10

Toko kelontong

- dekat jalan 30 5

- tingkat diatasnya 20 5

Pendidikan

- ruang kelas 50 8

- auditorium 150 8

- perpustakaan 20 8 Rumah sakit

- ruang pasien 10 13

- ruang operasi 20 15

V.5. Panduan Ventilasi Alami

• Ventilasi alami harus efektif terlepas dari besar dan arah angin yang biasanya terjadi, bahkan ketika angin tidak ada sama sekali;

• Bukaan inlet dan outlet seharusnya tidak terganggu oleh object-object disekitarnya;

• Jendela seharusnya terlepak di bagian tekanan yang berlawanan, hal ini biasanya akan meningkatkan ventilasi udara;

• Harus dipastikan adanya jarak verikal diantara dua bukaan untuk menjamin terjadinya stack effect;

• Bukaan pada ketinggian yang sama dan dekat dengan ceiling harus dihindari karena akan lebih banyak udara yang melewati pada zona berpenghuni;

• Elemen-elemen arsitektur seperti wingwalls, parapets and overhangs harus digunakan untuk mendukung udara masuk ke bangunan;

• topography, landscaping, dan sekeliling bangunan harus dimanfaatkan untuk memberikan bangunan semaksimal mungkin mendapatkan angin;

• di hot, humid climates, kecepatan angin harus dimaksimalkan untuk bisa mendinginkan tubuh dan mencapai kenyamanan termal yang diinginkan;

• Untuk mendapatkan aliran angin, façade bangunan yang panjang, jendela dan pintu harus diarahkan ke kecenderungan datangnya angin.

• Jika mungkin, jendela harus bisa di kontrol oleh penghuni;

• Vertical shafts and open staircases bisa digunakan untuk meningkatkan dan membangkitkan stack effect;

• Bukaan di dekat tekanan yang netral sebaiknya di kurangi karena hal tersebut kurang efektif untuk ventilasi yang di sebabkan oleh termal (thermally induced ventilation);

• Jika bukaan inlet and outlet hampir sama besarnya, maka ventilasi yang seimbang dan besar dapat didapatkan.

V.6. Kendala Ventilasi Alami

Aplikasi dari ventilasi alami akan sukses apabila semua kendala dapat di atasi, berikut adalah beberapa kendala dari ventilasi alami:

• Kendala selama bangunan dalam masa operasi – Masalah keamanan

– Gangguan dari lingkungan – Debu dan polusi udara

– Solar shading yang menutupi bukaan – Draught prevention

– Pengetahuan penghuni atas manfaat terbesar dari ventilasi alami

• Kendala ketika mendisain bangunan – Regulasi keamanan atas kebakaran – Kebutuhan atas proteksi terhadap akustik.

– Kesulitan dalam mendeteksi pengunaan utama bangunan

– Desain dari shading, dan daylighting bisa menutup aliran udara luar – Masalah dengan control otomatis pada bukaan

– Kesulitan dalam masalah disain yang reliable

• Kendala yang lain

– Impact dari arsitektur dan desain envelop – Kondisi indoor yang fluktuatif

– Desain ventilasi alami membutuhkan lebih banyak kerja, tapi dapat menekan kerka mekanis dari alat ventilasi.

– Resiko yang maningkat atas desainer – Tidak adanya standar yang baku

VI. PSYCRHOMETRI

VI.1.Beberapa Terminologi Dasar

• Udara lembab : tipikal udara atmosfer yang mengandung sejumlah kecil uap air (merupakan campuran dari dua gas ideal yaitu udara kering dan uap air)

• Udara kering : campuran O2 dan N2 yang tidak mengandung uap air

• Phychrometric : berhubungan dengan properties termodinamika dari air yang lembab dan menggunakan properties tersebut untuk menganalisa kondisi dan proses yang meliobatkan udara lembab.

• Range suhu yang dibahas dari 40°C sampai dengan 50°C

• Dry-bulb temperature (Tdb) : Biasanya disebut juga temperatur udara, adalah properties dari udara yang biasa, dan paling umum digunakan. Ketika manusia menyatakan suhu udara, maka yang dimaksud adalah dry bulb temperature ini.

(Tdb) dapat diukur dengan menggunakan termometer biasa, dan ini adalah indikator dari panas (energi) suatu udara.

• Wet-bulb temperature (Twb) : berhubungan dengan kandungan air di dalam udara.

(Twb) dapat diukur dengan menggunakan thermometer yang dilapisi dengan kain basah. (Twb) selalu lebih rendah daripada (Tdb), dan dia akan selalu identik dengan 100% kelembaban relative di udara

• Dew point : Tdp adalah suhu dimana uap air mulai mengembun dan memisahkan diri dari campuran, yaitu suhu dimana udara menjadi saturasi penuh, di atas suhu ini maka uap akan selalu ada dalam udara.

• Humidity ratio : perbandingan antara masa aktual dari uap air yang ada dalam udara basah dengan massa udara kering. Biasanya dinyatakan dalam kg/kg

(6.1.) Parameter ini sulit untuk diukur tetapi sangat berguna dalam banyak perhitungan.

Seperti halnya gas ideal, rasio kelembaban dapat juga dituliskan dalam bentuk partial pressure of water vapor dan total pressure of air.

(6.2.) ]

/

[ _{air udaraker ing}

a

w kg kg

m x m

] /

[ 622

.

0 _{air udaraker ing}

w

w kg kg

p p x p

 

dengan pw = partial pressure of water vapor [Pa] dan p adalah total pressure of air [Pa].

• Kelembaban relatif dari suatu campuran udara-air didefinisikan sebagai rasio dari tekanan parsial uap air dalam campuran terhadap tekanan uap jenuh air pada temperatur tersebut. Kelembaban relatif menggunakan satuan persen dan dihitung dengan cara berikut

(6.3.) Kelebihan menggunakan parameter ini adalah lebih mudah dalam pengukurannya, hanya seringkali kita harus mengetahui temperatur juga.

• Hubungan antara humidity ratio dan relative humidity adalah sebagai berikut :

(6.4.)

• Specific volume – Fungsi dari temperature, tekanan dan kadar kelembaban

(6.5.)

• Kondisi saturasi dari udara lembab adalah sebagai berikut

(6.6.)

• Specific enthalpy - terdiri dari dari sensible dan latent heat, ini sangat penting dalam perhitungan beban pendinginan dan pemanasan

• Enthalphy dari udara lembab meliputi - enthalpy dari udara kering (sensible heat) dan enthalpy uap (latent heat). Jadi specific enthalpy dari udara lembab merupakan total enthalpy dari udara kering dan uap air per kg dari udara kering.

Specific enthalpy dari udara kering

(6.7.) Dimana

t = adalah temperature udara ) (T p

p

s

 w



) (

) 622 (

. 0

T p p

T x p

s s

 

  ( ) 0.622

x x T

p p

s



] /

)[

622 . 0 ( 6 .

461 ³ _{dry air}

a x m kg

p

v  T  _

] /

)[ (

) 622 (

.

0 _{water dry air}

s s

s kg kg

T p p

T

x p _

 

t c

h _p. hr₀c_p,v.t

C_p = adalah specific heat capacity dari udara Cp,v = adalah specific heat capacity dari uap air r₀ = adalah panas evaporasi dari air pada suhu 0°C

• Specific enthalpy dari air

(6.8.)

• Specific enthalpy dari es adalah

(6.9.)

• Dan specific enthalpy dari udara lembab (unsaturated) adalah

(6.10.)

• Dan specific enthalpy dari udara lembab (saturated) adalah

(6.11.)

• Dan specific enthalpy dari udara lembab yang mengandung es (saturated) adalah

(6.12.) t

c x x

h(  _s) _w.

t c x x

h(  _s) _w.

.) . )(

(x x_s c_it q_i

h  

) . 86 . 1 2501 ( . 01 .

1 t x t

h  

) 334 09 . 2 )(

( ) . 86 . 1 2501 ( . 01 .

1     

 t x t x x t

h _{s s}

Gambar 6.1. Grafik Psikometrik

Pedoman menggunakan grafik psikometrik

1. Membutuhkan 2 kuantitas untuk menentukan sebuah posisi

2. Dengan menentukan posisi (titik) kita bisa mendapatkan semua kuantitas yang lain

3. Sebenarnya tanpa chart kita bisa mendapatkan juga dengan menggunakan perhitungan, tetapi sering kali kita harus menggunakan iterasi.

4. Tekanan harus spesifik

5. Grafik tersedia dalam ranah tekanan yang spesifik.

Gambar 6.3.Phsychrometer

Adiabatic saturation temperatur dapat ditentukan (pada tekanan atmosfer) dengan menggunakan thermometer yang dilapisi dengan kain basah. Dalam gambar (sling psychrometer) Ingat : Sensor kelembaban elektronic sudah banyak tersedia sekarang

Proses-proses Psychrometric.

a. Sensible cooling

Dalam proses ini, jumlah uap air tetap, tetapi temperature turun ketika udara melewati coil pendingin. Untuk menjaga kelembaban tetap maka coil harus kering dan suhu permukaannya harus lebih tinggi dari dew point temperatur udara. Jika koil efektif 100%,

maka temperatur udara yang keluar akan sama dengan temperatur koil. Secara riil temperatur udara yang keluar akan lebih tinggi suhunya daripada temperatur koil.

Gambar 6.4. Proses sensible cooling (OA) Transfer panas yang terjadi pada proses ini adalah

(6.13.)

b. Sensible heating

Proses ini sama dengan proses pendinginan sensible dimana udara akan menajdi panas ketika melewati koil pemanas. Proses transfer panas yang terjadi adalah :

(6.14.)

Dimana Cpm adalah panas spesisifik dari udara lembab ( 1.0216 Kj/Kg udara kering), dan ma adalah laju aliran masa udara kering (kg/s)

Gambar 6.4. Proses sensible heating (OB)

c. Pendinginan dan Dehumidification

Ketika udara lembab didinginkan di bawah temperature dew point-nya dengan meyentuhkannya ke permukaan yang lebih dingin, ebagian uap air akan mengembun, hasilnya temperature dan kelembaban akan turun. Ini adalah proses tipikal dari AC.

Proses tersebut dapat di rumuskan dalam rumus konservasi energi sebagai berikut : (6.15.)

Gambar 6.5. Proses Pendinginan dan Dehumidification (OC) Dengan menggunakan persamaan energi balance :

(6.16.) Dari dua persamaan di atas beban pada cooling coil Qt dapat ditulis :

(6.17.) Bagian kedua dari ruas kanan biasanya bernilai sangat kecil jika dibandingkan dengan yang lain maka persamaan menjadi lebih sederhana :

(6.18.)

Pendinginan dan dehumidification melibatkan dua proses transfer panas, yaitu latent dan sensible heat transfer, oleh karena itu total panas latent dan sensibel (Qt, Ql dan Qs) dapat ditulis :

(6.19.)

Dengan memisahkan total transfer panas dari cooling coil kita bisa menggunakan parameter baru yaitu SHF (sensible heat factor), yaitu rasio panas sensible terhadap total transfer panas.

(6.20.)

Nilai SHF sebesar 0.75 sampai dengan 0.8 sangat umum di lokasi panas dan kering. Di daerah lembab seperti Indonesia, nilai tersebut bisa mencapai 0.6.

Dapat dilihat pada gambar 6.5. bahwa proses O-C diberikan dengan

(6.21.) Dari definisi SHF kita bisa kembangkan :

(6.22.)

Dari dua persamaan diatas, kita bisa menulis slope dengan rumus :

(6.23.) Kita bisa lihat bahwa slope dari proses tersebut merupakan fungsi dari SHF. Jadi kita bisa menggambar di psikrometrik chart manakala titik awal dan SHf diketahui. Dalam beberapa psikrometrik chart nilai SHF dicantumkan.

Gambar 6.6. Psychrometric chart dengan SHF protractor.

Dalam kondisi riil udara yan keluar dari koil selalu lebih tinggi suhunya dibandingkan dengan suhu koil disebabkan karena pembentukan boundary layer di permukaan coil dan juga karena variasi suhu sepanjang koil. Untuk itu kita definisikan by-pass factor (BPF)

(6.24.)

Dapat dilihat bahwa semakin besar BPF maka semakin besar pula perbedaan suhu antara udara outlet dan suhu koil. Ketika BPF=1, maka tidak ada proses cooling atau dehumidification sama sekali. BPF dapat ditingkatkan dengan menambah jumlah row di koil, mengurangi kecepatan angin atau mengurangi fin pitch.

d. Pemanasan dan Pelembaban

Selama musim dingin biasanya sangat dibutuhkan kondisi ruangan yang panas sekaligus lembab. Hal tersebut biasanya diselesaikan dengan sensible heating kemudian diteruskan dengan penyemprotan uap air melalui nozzle.

Gambar 6.7. Proses pemanasan dan pelembaban

Kesetimbangan masa dari uapa air pada kontrol volume, menghasilkan persamaan : (6.25.) Dimana ma adalah mass flow rate dari udara kering

Dari kesetimbangan energi

(6.26.)