Kemudian dihitung koefisien konveksi h
L
dengan rumus: h
L
= =
26,3 10
−3
0,0787879
x 9,8873 = 3,3004 Wm
2
K
Setelah koefisien konveksi alamiah telah diketahui, beban pendingin pada dinding berlapis berdasarkan material styrofoam dapat dihitung dengan
diketahuinya data temperatur yang diambil pada tanggal 19 Januari 2015 jam 09.00.
Diketahui: -
T
∞,1
= Temperatur fluida = 28,072 °C = 301,072 K
- T
s,2
= Temperatur dalam atas = 23,885 °C = 296,885 K
- h
1
= h
L
= Koefisein konveksi fluida = 3,3004 Wm
2
K -
k
1
= Konduktivitas termal styrofoam = 0,033 WmK -
L
1
= Tebal dinding atas = 0,024 m
- A
= Luas penampang = 0,4 x 0,26 = 0,104 m
2
Beban pendingin konveksi dan konduksi pada dinding atas dapat dihitung dengan persamaan:
Q
kond konv,atas
=
∞,1
−
,2 1
1
+
1 1
=
301,072 −296,885
1 3,3004 0,104
+
0,024 0,033 0,104
= 0,423 W
Selanjutnya dihitung beban pendingin konveksi alamiah dan konduksi menggunakan prinsip dinding berlapis pada dinding depan.
Untuk menghitung nilai beban pendingin akibat konveksi alamiah dan konduksi diperlukan beberapa data, dimana data temperatur diambil pada tanggal
19 Januari 2015 jam 09.00.
Diketahui: -
ρ = Massa jenis fluida = 1,1614 kgm
3
- g = Percepatan gravitasi
= 9,81 ms
2
- T
s
= Temperatur permukaan styrofoam = 25,561°C = 298,561 K -
T
∞
= Temperatur fluida = 28,072 °C = 301,072 K
- L =
Luas Penampang Keliling
=
A
s
P
=
0,4 0,178 2 0,4+0,178
= 0,0615917m -
α = Difusivitas panas = 22,5 x 10
-6
m
2
s -
v = Viskositas = 15,89 x 10
-6
m
2
s -
β =
1 T
f
=
2 T
s
+T
∞
=
2 298 ,561 +301 ,072
= 0,00334 K
-1
- k = Konduktivitas termal fluida
= 26,3 x 10
-3
Wm K -
Pr = Bilangan Prandtl = 0,707
Pertama – tama dihitung terlebih dahulu bilangan Rayleigh dengan
persamaan: R
aL
=
�
∞
−
3
∝
=
9,81 0,00334 301,072−298,561 0,0615917
3
22,5 10
−6
15,89 10
−6
= 53693,3194
Bilangan Rayleigh yang didapat dibawah 10
9
, maka aliran fluida merupakan aliran laminar. Tahap selanjutnya adalah menghitung bilangan Nusselt
untuk aliran laminar dengan persamaan:
uL
N
= 0,68 +
0,670
1 4
1+ 0,492
9 16
4 9
= 0,68 +
0,670 53693,3194
1 4
1+ 0,4920,707
9 16
4 9
= 8,5043
Kemudian dihitung koefisien konveksi h
L
dengan rumus: h
L
= =
26,3 10
−3
0,0615917
x 8,5043 = 3,6314 Wm
2
K
Setelah koefisien konveksi alamiah telah diketahui, beban pendingin pada dinding berlapis berdasarkan material styrofoam dapat dihitung dengan
diketahuinya data temperatur yang diambil pada tanggal 19 Januari 2015 jam 09.00.
Diketahui: -
T
∞,1
= Temperatur fluida = 28,072 °C = 301,072 K
- T
s,2
= Temperatur dalam depan = 23,787 °C = 296,787 K
- h
1
= h
L
= Koefisein konveksi fluida = 3,6314 Wm
2
K -
k
1
= Konduktivitas termal styrofoam = 0,033 WmK -
L
1
= Tebal dinding depan = 0,02 m
- A
= Luas penampang = 0,4 x 0,178 = 0,0712 m
2
Beban pendingin konveksi dan konduksi pada dinding atas dapat dihitung dengan persamaan:
Q
kond konv,depan
=
∞,1
−
,2 1
1
+
1 1
=
301,072 −296,787
1 3,6314 0,0712
+
0,02 0,033 0,0712
= 0,346 W Selanjutnya dihitung beban pendingin konveksi alamiah dan konduksi
menggunakan prinsip dinding berlapis pada dinding samping. Untuk menghitung nilai beban pendingin akibat konveksi alamiah dan
konduksi diperlukan beberapa data, dimana data temperatur diambil pada tanggal 19 Januari 2015 jam 09.00.
Diketahui: -
ρ = Massa jenis fluida = 1,1614 kgm
3
- g = Percepatan gravitasi
= 9,81 ms
2
- T
s
= Temperatur permukaan styrofoam = 25,561°C = 298,561 K -
T
∞
= Temperatur fluida = 28,072 °C = 301,072 K
- L =
Luas Penampang Keliling
=
A
s
P
=
0,26 0,178 2 0,26+0,178
= 0,052831 m -
α = Difusivitas panas = 22,5 x 10
-6
m
2
s -
v = Viskositas = 15,89 x 10
-6
m
2
s -
β =
1 T
f
=
2 T
s
+T
∞
=
2 298,561+301,072
= 0,00334K
-1
- k = Konduktivitas termal fluida
= 26,3 x 10
-3
Wm K -
Pr = Bilangan Prandtl = 0,707
Pertama – tama dihitung terlebih dahulu bilangan Rayleigh dengan
persamaan: R
aL
= �
∞
−
3
∝ =
9,81 0,00334 301,072−298,561 0,052831
3
22,5 10
−6
15,89 10
−6
= 33886,0937
Bilangan Rayleigh yang didapat dibawah 10
9
, maka aliran fluida merupakan aliran laminar. Tahap selanjutnya adalah menghitung bilangan Nusselt
untuk aliran laminar dengan persamaan:
uL
N
= 0,68 +
0,670
1 4
1+ 0,492
9 16
4 9
= 0,68 +
0,670 33886 ,0937
1 4
1+ 0,4920,707
9 16
4 9
= 7,6538
Kemudian dihitung koefisien konveksi h
L
dengan rumus: h
L
= =
26,3 10
−3
0,0528
7,6538 = 3,8102 Wm
2
K
Setelah koefisien konveksi alamiah telah diketahui, beban pendingin pada dinding berlapis berdasarkan material styrofoam dapat dihitung dengan
diketahuinya data temperatur yang diambil pada tanggal 19 Januari 2015 jam 09.00.
Diketahui: -
T
∞,1
= Temperatur fluida = 28,072 °C = 301,072 K
- T
s,2
= Temperatur dalam samping = 24,618 °C = 297,618 K
- h
1
= h
L
= Koefisein konveksi fluida = 3,8102 Wm
2
K -
k
1
= Konduktivitas termal styrofoam = 0,033 Wm K
- L
1
= Tebal dinding samping = 0,02 m
- A
= Luas penampang = 0,26 x 0,178 = 0,04628 m
2
Beban pendingin konveksi dan konduksi pada dinding atas dapat dihitung dengan persamaan:
Q
kond konv,samping
=
∞,1
−
,2 1
1
+
1 1
=
301,072 −297,618
1 3,8102 0,04628
+
0,02 0,033 0,04628
= 0,184 W
Jadi, total dari beban pendingin yang terjadi akibat konveksi dan konduksi baik secara alamiah maupun paksa adalah:
Q
kond kov,total
= Q
konv,paksa
+ Q
kond konv,atas
+ 2 x Q
kond konv,depan
+ 2 x Q
kond konv,samping
= 31,373 + 0,423 + 2 x 0,346 + 2 x 0,184 = 32,856 W
4.2.6 Total Beban Pendingin
Setelah semua perhitungan beban pendingin dilakukan, maka didapatkanlah besar nilai total beban pendingin baik pada ruangan maupun dalam
mesin pendingin. Pada ruangan, beban pendinginnya merupakan beban pendingin sensibel
total dan beban pendingin laten total yang diperoleh dari beban pendingin akibat manusia, lampu, dan infiltrasi.
Q
s,tot
= Q
s,lampu
+ Q
s,infiltrasi
+ Q
s,manusia
= 9,504 + 3,841 +90 = 103,345 W
Q
l,tot
= Q
l,infiltrasi
+ Q
l,manusia
= 8,7024 + 110 = 118,7024 W
Sedangkan beban pendingin dalam mesin pendingin merupakan perpaduan antara beban pendingin akibat perpindahan panas konduksi, konveksi, maupun
radiasi. Q
pp
,
tot
= Q
rad,total
+ Q
kond kov,total
= 3,1215 + 32,856 = 35,9775 W
4.3 Analisa COP
Coefficient Of Performance
Perhitungan COP dapat dihitung dengan mengetahui nilai beban perpindahan panas total Q
pp
,
tot
, beban sensibel total Q
s,tot
, beban laten total Q
l,tot
, dan daya kipas. Diketahui:
- Q
pp
,
tot
= Beban pendingin perpindahan panas total = 35,9775 W -
Q
s,tot
= Beban pendingin sensibel total = 103,345 W
- Q
l,tot
= Beban pendingin laten total = 118,7024 W
- P
= Daya kipas = 12 W
Maka nilai COP nya adalah: COP =
,
+
,
+
,
+
,
+
,
=
103,345+118,7024 +35,9775 12+103,345+118,7024
=
258,0249 234,0474
= 1,10245
Adapun nilai – nilai dari COP minimum dan maksimum selama pengujian
mesin pendingin, yakni mulai dari tanggal 15 – 28 Januari 2015 diberikan pada
Tabel 4.1 berikut. Tabel 4.1 Data COP Minimum dan Maksimum per Hari
Tanggal COP Minimum
COP Maximum Waktu
Nilai Waktu
Nilai 15 Januari
13:30
1.05186447
11:45
1.13772767
16 Januari 11:15
1.03662775
09:30
1.11519290
17 Januari 10:40
1.03491210
08:45
1.10271050
19 Januari 10:45
1.05087447
09:05
1.10812870
20 Januari 14:35
1.04531790
12:55
1.14831082
21 Januari 15:20
1.03049450
13:25
1.11594794
22 Januari 10:50
1.03522535
09:30
1.09773342
23 Januari 12:45
1.05214578
10:55
1.12933046
24 Januari 12:30
1.03768460
10:35
1.11256817
26 Januari 11:10
1.03986290
09:20
1.11474260
27 Januari 15:35
1.03680573
13:45
1.12925080
28 Januari 12:10
1.05249726
10:15
1.13868524
Dari tabel diatas, dapat dilihat bahwa COP cenderung bernilai maksimum pada awal pengujian, sedangkan COP cenderung bernilai minimum pada akhir
pengujian.
4.4 Pengaruh Temperatur Lingkungan, Kelembaban Relatif, dan
Intensitas Radiasi terhadap Nilai COP
COP atau Coefficient Of Penformance pada suatu mesin pendingin ruangan sangatlah bergantung pada keadaan temperatur lingkungan, kelembaban
relatif, dan radiasi intensitas. Untuk mengetahui besar kecilnya pengaruh keadaan tersebut, dapat dibuat persamaannya pada Microsoft Excel dengan menggunakan
data analisis. Dalam hal ini, digunakan sistem regresi berganda untuk mencari persamaan tersebut.
Untuk membuat persamaan tersebut diperlukan data – data yang diketahui
pada Tabel 4.2, dimana data tersebut merupakan data selama percobaan 2 jam per harinya.
Tabel 4.2 Data COP, Temperatur, Kelembaban, dan Radiasi Intensitas Rata – Rata
TANGGAL COP
TEMPERATUR RUANGAN
TL KELEMBABAN
RELATIF Ø RADIASI
INTENSITAS I
WAKTU 15 JANUARI
1.100734302 305.8093333
0.6464167 600.4666667
11:35 - 13:30 16 JANUARI
1.078999850 302.9601667
0.7628333 450.5708333
09:25 - 11:20 17 JANUARI
1.075046093 302.6662917
0.6892083 480.8875000
08:45 - 10:40 19 JANUARI
1.085483568 303.2763750
0.5922917 515.6750000
08:50 - 10:45 20 JANUARI
1.092723457 305.8220417
0.5832500 316.5625000
12:40 - 14:35 21 JANUARI
1.081038334 303.9477500
0.6735833 390.1000000
13:25 - 15:20 22 JANUARI
1.072003287 302.0382500
0.7455417 317.2500000
09:00 - 10:55 23 JANUARI
1.089424672 304.3991667
0.5843750 741.9375000
10:55 - 12:50 24 JANUARI
1.075172092 303.1356250
0.6610000 218.2791667
10:35 - 12:30 26 JANUARI
1.070552681 302.4840417
0.7940833 384.6250000
09:15 - 11:10 27 JANUARI
1.083678627 303.7843750
0.6967500 402.3958333
13:40 - 15:35 28 JANUARI
1.094349944 304.5332500
0.6226667 647.6083333
10:15 - 12:10
Pertama – tama dimisalkan terlebih dahulu masing – masing keterangan
dengan variabel sebagai berikut. -
Temperatur Lingkungan = TL -
Kelembaban Relatif = Ø
- Radiasi Intensitas
= I
Dengan menggunakan data analisis yang terdapat dalam program Excel, persamaan regresi dari COP adalah:
COP = 0,00599792 x TL + -0,009883236 x Ø + 1,81979 x 10
-5
x I-0,740187339
Melalui persamaan yang diperoleh, dapat diketahui bahwa peningkatan COP dapat dilakukan dengan memperbesar nilai temperatur lingkungan,
memperkecil kelembaban udara, dan memperbesar radiasi intensitas. Adapun korelasi nilai rata
– rata antara COP, temperatur lingkungan, kelembaban relatif, dan intensitas radiasi ditunjukkan pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Korelasi COP, Temperatur, Kelembaban, dan Radiasi Intensitas Rata –
Rata COP
TL Ø
I COP
1 TL
0,925967 1
Ø -0,72406
-0,69189 1
I 0,601751
0,36917 -0,41337
1
4.5 Analisa Radiasi Langit Cerah
Analisa langit cerah dilakukan pada tanggal 19 Januari 2015 dari jam 7.00 AM
– 6.00 PM. Sebelum dilakukan perhitungan, maka perlu diketahui beberapa data sebagai berikut.
Diketahui: -
n = Urutan hari
= 19 -
GMT = Greenwich Mean Time
= 7 -
Ø = Posisi lintang
= 4 -
L
loc
= Posisi bujur = 98
- A
= Ketinggian dari permukaan laut = 200 m = 0,2 km
- L
st
= Sudut berdasarkan GMT = 7 x 15
= 105 -
r = Faktor koreksi iklim 1
= 0,95 -
r
1
= Faktor koreksi iklim 2 = 0,98
- r
k
= Faktor koreksi iklim 3 = 1,02
Mula – mula dihitung nilai konstanta berdasarkan tanggal, yaitu:
B = n-1 x
360 365
= 19 – 1 x
360 365
= 17,75342466
Setelah itu, dihitung persamaan waktu dengan persamaan: E
= 229,2 0,000075 + 0,001868 cos B − 0,032077 sin B − 0,014615 cos2B
– 0,04089sin 2B = -9,986959941 menit
Langkah selanjutnya dihitung selisih waktu matahari dengan lokal: ST
– STD = 4 L
st
– L
loc
+ E = 4 105
– 98 + -9,986959941 = -37,98695994 menit
Sudut deklinasi dapat dihitung dengan persamaan:
= 6,918 10
−3
− 3,99912cos + 0,070257sin − 0,006758cos 2 + 9,07 10
−4
sin 2 − 0,002679cos 3 + 0,00148sin 3
= -3.78572241 rad Maka, radiasi matahari diluar dan sebelum masuk atmosfer dapat dihitung
dengan persamaan:
G
on
= 1367 1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,000719 cos 2B
– 0,000077sin 2B = 1413,097472 Wm
2
Setelah radiasi matahari sebelum masuk atmosfer diperoleh, selanjutnya dihitung radiasi setelah masuk atmosfer. Perhitungan ini diwakili pada saat waktu
lokal adalah jam 7.00 AM. Mula – mula dihitung terlebih dahulu sudut jam matahari
dengan persamaan:
� = 15 � − 12 + −
�
15 60
= 15 7 – 12 +
-37,98695994
15 60
= -84,49673999
Setelah itu, dihitung cosinus sudut zenith: cos
�
�
= cos Ø cos cos � + sin Ø sin
= 0,090854332
Selanjutnya dihitung fraksi radiasi yang diteruskan. Sebelum mencari nilai tersebut, maka dicari terlebih dahulu konstanta
– konstanta faktor koreksi berdasarkan iklim dengan persamaan:
= 0,4237
− 0,00821 6 −
2
= 0,95 0,4237 − 0,00821 6 − 0,2
2
= 0,14013982
1
=
1
0,5055 + 0,00595 6,5 −
2
= 0,98 0,5055 + 0,00595 6,5 − 0,2
2
= 0,72682239
= 0,2711 + 0,01858
2,5 −
2
= 1,02 0,2711 + 0,01858 2,5 − 0,2
2
= 0,376775964
Setelah diketahui parameter – parameter tersebut, fraksi radiasi yang
diteruskan dapat dicari dengan persamaan: � =
+
1
exp
− cos
�
�
= 0,14013982 + 0,72682239 exp
−0,376775964 0,090854332
= 0,151631791
Selanjutnya dihitung radiasi jatuh langsung dengan persamaan:
� =
� � cos �
�
= 1413,097472 x 0,151631791 x 0,090854332
= 19,4674032 Wm
2
Radiasi hasil pantulan atmosfer dihitung dengan menggunakan persamaan:
� =
� cos �
�
0,271 − 0,294 �
= 1413,097472 x 0,090854332 x 0,271 – 0,294 x 0,151631791
= 29,06919682 Wm
2
Maka pada akhirnya, diperloleh nilai radiasi total pada permukaan datar yang merupakan radiasi langit cerah, yakni dengan persamaan:
� = � +
� =
19,4674032 +
29,06919682 = 48.53660001 Wm
2
Data lengkap radiasi langit cerah dari jam 7.00 AM hingga 6.00 PM ditunjukkan pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4 Radiasi Langit Cerah pada Tanggal 19 Januari 2015
7 8
9 10
11 12
7:00 8:00
9:00 10:00
11:00 12:00
ω
-84.49673999 -69.49673999
-54.49673999 -39.49673999
-24.49673999 -9.496739985
os θz
0.090854332 0.344039345
0.573464775 0.763495659
0.901181705 0.977139836
τ
0.151631791 0.383253326
0.5169213 0.583859991
0.618608684 0.634414559
Gb
19.4674032 186.3228696
418.8931844 629.9229159
787.7719227 875.99571
Gd
29.06919682 76.97074234
96.45340405 107.1828786
113.5020613 116.65239
Gtot
48.53660001 263.293612
515.3465885 737.1057945
901.273984 992.6481
13 14
15 16
17 18
13:00 14:00
15:00 16:00
17:00 18:00
ω
5.503260015 20.50326001
35.50326001 50.50326001
65.50326001 80.50326001
os θz
0.986193633 0.927726093
0.805721683 0.628494802
0.408123169 0.159624746
τ
0.636167358 0.624366764
0.595485421 0.539232135
0.428869342 0.208740089
Gb
886.5550251 818.5244711
677.9978307 478.9052247
247.3365911 47.084526
Gd
117.0150975 114.6259702
109.2192851 99.88358075
83.57357093 47.28535231
Gtot
1003.570123 933.1504413
787.2171158 578.7888055
330.910162 94.36987831
4.6 Analisa Grafik
Analisa grafik dilakukan dengan merata – ratakan beban pendingin, COP,
temperatur lingkungan, kelembaban relatif, dan radiasi intensitas selama 2 jamhari.
Berikut ini adalah grafik beban pendingin per hari selama 2 jam pengujian.
Gambar 4.1 Grafik Beban Pendingin Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa nilai beban pendingin maksimum
selama pengujian terletak pada hari pertama yakni pada tanggal 15 Januari 2015. Hal ini disebabkan karena kondisi cuaca yang cerah. Sedangkan beban pendingin
minimum terletak pada hari ke-9 yakni pada tanggal 24 Januari 2015. Hal ini disebabkan oleh kondisi cuaca berawan.
Berikut ini adalah grafik COP per hari selama 2 jam percobaan.
Gambar 4.2 Grafik COP Rata – Rata
Dari grafik diatas, dapat dilihat bahwa nilai COP rata – rata berkisar
diantara 1,07 sampai 1,1. Nilai COP ini bervariasi diakibatkan oleh perbedaan suhu ruangan yang mengakibatkan berubahnya nilai beban sensibel dan beban
laten, beban konduksi, beban konveksi, dan beban radiasi. Berikutnya adalah grafik temperatur lingkungan vs kelembaban relatif per
hari selama 2 jam percobaan.
Gambar 4.3 Grafik Temperatur vs Kelembaban Relatif
Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa temperatur ruangan berbanding terbalik dengan kelembaban relatif udara. Terlihat pada grafik pada hari ke 7
temperatur ruangan memiliki nilai terendah yaitu sebesar 302K diakibatkan oleh kelembaban udara yang relatif tinggi yaitu sebesar 0,74. Semakin besar
kelembaban udara maka semakin kecil temperatur ruangan. Begitu pula sebaliknya, semakin kecil kelembaban udara maka semakin besar temperatur
ruangan. Berikut ini adalah grafik radiasi intensitas per hari selama 2 jam
percobaan.
Gambar 4.4 Grafik Radiasi Intensitas Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa radiasi intensitas dipengaruhi oleh
kondisi cuaca. Pada hari ke-1 percobaan dalam kondisi cuaca cerah, hari ke-5 percobaan dalam kondisi berawan, dan hari ke-8 percobaan dalam kondisi sangat
cerah. Dapat disimpulkan bahwa cuaca cerah menyebabkan radiasi intensitas semakin besar dan sebaliknya.
Melalui grafik – grafik diatas dapat disimpulkan bahwa besar kecilnya
beban pendingin berbanding lurus dengan temperatur lingkungan dan radiasi intensitas, namun berbanding terbalik dengan rasio humiditas relatif.
Berikutnya adalah grafik perbandingan radiasi langit cerah dengan radiasi data HOBO pada tanggal 19 Januari 2015.
Gambar 4.5 Grafik Radiasi Langit Cerah vs Data HOBO
Dari grafik diatas, dapat dilihat bahwa tidak ada data yang melebihi teori radiasi langit cerah. Hal ini disebabkan karena cuaca yang sedikit berawan. Pada
jam 12.00 PM keatas, kondisi cuaca mendung sehingga menghasilkan data yang tidak beraturan.