Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis

DESAIN TATA RUANG BANGUNAN ECO-HOUSE
MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
(CFD) PADA IKLIM TROPIS

IMANUEL ZEGA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Desain Tata Ruang
Bangunan Eco-house Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada
Iklim Tropis adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak
diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juni 2013
Imanuel Zega
NIM F14080001

ABSTRAK
IMANUEL ZEGA. Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan
Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis. Dibimbing oleh LILIK
PUJANTORO.
Eco-house merupakan aplikasi dari perancangan ekologis dimana
pengaturan ruangnya memperhatikan masalah-masalah termal dalam suatu
ruangan, penggunaan energi dan sumber daya yang berkelanjutan. Tujuan
penelitian ini adalah merancang tata ruang bangunan Eco-house yang dapat dihuni
petani dan fokus pada aspek kenyamanan termal daerah tropis, yaitu suhu,
kecepatan angin dan kelembaban relatif. Bangunan Eco-house dirancang dengan
menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Proses perancangan
diawali dengan validasi simulasi CFD yang diterapkan pada Laboratorium Teknik
Lingkungan Biosistem yang diuji keakuratan hasil simulasinya. Proses
perancangan yang sama diterapkan pada proses perancangan tata ruang bangunan

Eco-house. Perancangan tata ruang bangunan Eco-house memanfaatkan sistem
ventilasi alami dengan rancangan efek angin dan kombinasi antara efek angin dan
efek termal. Hasil rancangan ventilasi kombinasi merupakan rancangan simulasi
yang memenuhi syarat kenyamanan termal dengan rataan sebaran suhu sebesar
24.65 oC, kecepatan angin 0.5-0.8 m/detik dan kelembaban relatif udara 65%.
Pembuatan ventilasi atap dan perancangan bangunan yang tegak lurus terhadap
arah gerakan angin mendukung syarat kenyamanan termal bangunan.
Kata kunci: angin, Eco-house, kelembaban, rancang, suhu
ABSTRACT
IMANUEL ZEGA. Design Layout of Eco-house Using Computational Fluid
Dynamics (CFD) in Tropical Area. Supervised by LILIK PUJANTORO.
Eco-house is the application of ecological design where its layout
considering the thermal problems in a room, the use of energy and sustainable
resources. The objectives of this research is to design the Eco-house’s layout
which can be inhabited by farmers and focused on aspects of the thermal comfort
in tropics. Eco-house was designed by using Computational Fluid Dynamics
(CFD) method. The design process is started by the validation of CFD simulation
of Laboratory of Environmental Engineering of Biosystem which is the accuracy
of simulation result is tested and validated. The same design process of CFD
simulation is applied to the process of designing Eco-house's layout. The designs

of Eco-house's layout utilize natural ventilations sistem with the design of the
wind and the combination of wind and thermal effects. Design of ventilation
combination of results of simulation comfort are qualified with the equivalent
temperature distribution of 24.65 oC, wind velocity of 0.5-0.8 m/s and relative
humidity of 65%. The additional of roof vents and designing the building
perpendicular to the direction of wind supports the thermal comforts requirement.
Key words: design, Eco-house, relative humidity, temperature, wind

DESAIN TATA RUANG BANGUNAN ECO-HOUSE
MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
(CFD) PADA IKLIM TROPIS

IMANUEL ZEGA

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013

Judul Skripsi : Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house Menggunakan
Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis
Nama
: Imanuel Zega
NIM
: F14080001

Disetujui oleh

Dr Ir Lilik Pujantoro, MAgr
Pembimbing

Diketahui oleh

Dr Ir Desrial, MEng
Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah
perancangan tata ruang, dengan judul Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house
Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Iklim Tropis
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. Lilik Pujantoro yang
telah banyak memberi saran dan masukan selama penelitian ini dilaksanakan.
Kepada Dr. Ir. Rokhani Hasbullah dan Dr. Ir. Dyah Wulandani sebagai dosen
penguji, terimakasih atas masukan dan perbaikan yang diberikan. Ungkapan
terima kasih juga disampaikan kepada papa, mama, serta seluruh keluarga yang
ada. Terimakasih juga saya sampaikan kepada Agus Niam, MSi, Pandu Gunawan,
MSi dan Eni Sumarni, MSi yang telah banyak membantu selama penelitian, juga
kepada Pak Ahmad, selaku teknisi Lab TLB. Kepada sahabat-sahabat satu jurusan
Andre, Johannes, Tino, Ranto, Dhea Selly, Diza, Fiki, Dila, Harli, Yutha dan

sahabat Magenta 45 TEP terimakasih buat kebersamaannya. Kepada sahabatsahabat terkasih di Komkes Gunawan, Sankiki, Tiur, Ruth, Handrio, Amudi,
Astra, Esterike, Fredy, Yoshi, Yeyen, Sule, Verawati dll dan juga sahabat Kopral
45 Leo, Gio, Tini, Puyun, Hanna dll, juga buat sahabat sekontrakan Steward,
Riko, Liber dan Putra terimakasih buat semua yang bisa dibagikan dan diberikan
selama perkuliahan dan seterusnya. Kepada seluruh pihak yang membantu dalam
penyelesaian Tugas Akhir ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Juli 2013
Imanuel Zega

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vii

DAFTAR GAMBAR

vii

DAFTAR LAMPIRAN

vii

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian

1
1
2
2
2
3

TINJAUAN PUSTAKA
Proses Desain

Bangunan Eco-house
Computational Fluid Dynamics (CFD)

3
3
4
5

METODE PERANCANGAN
Bahan dan Alat
Merancang Tata Ruang Bangunan Eco-house
Evaluasi Produk Hasil Rancangan
Validasi Simulasi CFD
Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house

6
6
7
9
9

10

HASIL DAN PEMBAHASAN
Validasi Simulasi CFD
Data Keadaan Termal Lab TLB
Simulasi Keadaan Termal Lab TLB Menggunakan CFD
Hasil Simulasi Lab TLB
Validasi Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran
Tata Ruang Bangunan Eco-house, Simulasi Sebaran Suhu
serta Kelembaban Relatif Bangunan Eco-house
Tata Ruang Bangunan Eco-house
Simulasi Perubahan Suhu dan Kelembaban Relatif
Di Dalam Tata Ruang Bangunan Eco-house
Sebaran Suhu dan Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD

11
11
11
12
15

16

SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran

27
27
27

DAFTAR PUSTAKA

28

LAMPIRAN

29

RIWAYAT HIDUP

41

19
19
19
22

DAFTAR TABEL
1. Daerah Perhitungan Simulasi Lab TLB
2. Daerah Perhitungan Simulasi Bangunan Eco-house
3. Kondisi Masukan Data Simulasi Lab TLB

9
11
13

DAFTAR GAMBAR
1. Proses Perancangan
2. Total luasan inlet pada ventilasi
3. Komputer DELL XPS, hybrid recorder, termokopel
4. Termometer, Anemometer
5. Diagram Alir Proses Perancangan Tata Ruang
6. Langkah-langkah simulasi CFD
7. Penempatan Titik-titik Pengukuran Lab TLB
8. Keadaan Suhu dan Kelembaban Relatif Lab TLB
9. Perubahan Kecepatan Angin Lab TLB
10. Geometri Bangunan Lab TLB
11. Data Masukan Simulasi
12. Perubahan Suhu dan RH Lab TLB Pk. 14.00
13. Perubahan Suhu dan RH Lab TLB Pk. 19.00
14. Perbandingan Suhu Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran
Pk. 04.00, Pk. 09.00 dan Pk 14.00
15. Perbandingan Suhu Hasil Simulasi Pk. 19.00
16. Grafik Perbandingan Suhu Hasil Pengukuran dan Hasil Simulasi
Pk. 04.00, Pk. 09.00, Pk. 14.00, Pk. 19.00
17. Geometri Bangunan Eco-house
18. Tata Ruang dan Penempatan Titik Pengukuran Bangunan Eco-house
19. Perubahan Suhu Udara Lingkungan dan Hasil Simulasi Percobaan
20. Perubahan RH Udara Lingkungan dan Hasil Simulasi Percobaan
21. Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 04.00
22. Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 04.00
23. Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 09.00
24. Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 09.00
25. Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 14.00
26. Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 14.00
27. Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 19.00
28. Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Pada Pk. 14.00

3
5
7
7
8
9
10
11
12
12
14
15
16
17
18
18
19
19
21
22
23
23
24
24
25
25
26
26

DAFTAR LAMPIRAN
Bangunan Eco-house
Bangunan Eco-house (Jenis Percobaan)
Bangunan Eco-house (dimensi)
Perubahan Suhu, Kecepatan Angin dan RH Pk. 04.00, Pk. 09.00,
Pk. 14.00 dan Pk. 19.00
5. Tabel Keakuratan Hasil Simulasi

1.
2.
3.
4.

31
33
35
37
39

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Salah satu alasan penting mengapa manusia membuat bangunan adalah
karena kondisi alam atau iklim, dimana manusia berada tidak selalu sesuai untuk
dapat menunjang aktivitas yang dilakukannya. Cukup banyak aktivitas manusia
yang tidak dapat diselenggarakan akibat ketidaksesuaian dengan kondisi alam
luar, untuk itu manusia membuat bangunan. Pertambahan penduduk dan
perkembangan aktivitas manusia memicu perkembangan fisik bangunan.
Pembangunan fisik negara berkembang seperti Indonesia cenderung
mengkhawatirkan banyak pihak. Potensi perusakan lingkungan dan pelepasan gas
rumah kaca secara besar-besaran sangat memengaruhi kondisi termal di kawasankawasan tertentu. Perumahan, gedung perkantoran, pusat-pusat perbelanjaan,
rumah sakit dan lain-lain dibangun besar-besaran, namun dalam pembangunan
fasilitas tersebut pemenuhan kenyamanan penggunan bangunan cenderung tidak
dipenuhi.
Pemenuhan kebutuhan bangunan bagi manusia modern adalah
diharapkannya iklim luar yang tidak sesuai untuk menunjang aktivitas manusia
dapat dimodifikasi, diubah menjadi iklim di dalam (bangunan) yang lebih sesuai
untuk pemenuhan kenyamanan fisik manusia. Desain bangunan dapat diubah
untuk meminimalkan pengaruhnya terhadap lingkungan. Kita berada dalam proses
lambat memutar kembali keadaan yang destruktif menuju keadaan lingkungan
yang regeneratif (penyembuhan lingkungan). Cara bagaimana suatu gedung
berfungsi seimbang dengan alam mencerminkan kemampuan para perencana
untuk mengerti cara membangun dan prosesnya, memilih bahan bangunan,
melestarikan lingkungan bangunan dan menciptakan kenyamanan penghuni.
Menghuni suatu bangunan tidak terlepas dari kualitas bangunan hunian tersebut.
Kualitas menghuni suatu bangunan berhubungan erat degan psikologi menghuni,
dengan perasaan santai dan nyaman. Kualitas menghuni tidak terbatas atas badan
manusia saja yang terlindungi dari cuaca dan terik matahari, melainkan juga
sebagai tempat tinggal seseorang.
Pegangan dalam perancangan bangunan kawasan tropis yang nyaman harus
didasarkan pada teknologi bangunan lokal, dimana perancangan dan penataan
ruang yang ada di dalam dan di luar bangunan sesuai dengan tuntutan ekologis
alam.
Bangunan tropis yang ramah lingkungan dan dirancang penataan ruangnya
sedemikian rupa merupakan penerapan prinsip perancangan ekologis yang
memperhatikan masalah-masalah termal dalam suatu ruangan, penggunaan energi
dan sumber daya yang berkelanjutan. Eco-house merupakan aplikasi dari
perancangan ekologis dimana pengaturan ruangnya disesuaikan dengan elemen
alam dan budaya. Desain bangunan Eco-house yang nyaman dalam arti penataan
ruang yang ideal dengan iklim, kondisi termal yang baik dan aspek-aspek lain

2
yang mendukung kenyamanan di dalam bangunan akan diuji dengan
menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD).

Perumusan Masalah
Masalah kenyamanan di dalam bangunan pada iklim tropis merupakan suatu
tantangan tersendiri bagi desainer bangunan. Pengendalian pengaruh iklim luar
terhadap rasa nyaman penghuni di dalam bagunan dapat dilakukan dengan
pendekatan ekologis terhadap bangunan secara tepat. Pada penelitian ini, dicoba
untuk mendesain Eco-house dengan penataaan ruang yang sederhana untuk dapat
dihuni petani secara umum dengan pendekatan simulasi yang dilakukan pada
Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem (Lab LBP). Permasalahan yang
diteliti dapat dirumuskan dalam beberapa pertanyaan sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh iklim luar terhadap distribusi suhu di dalam
ruangan?
2. Apa pengaruh kelembaban relatif udara diluar bangunan terhadap
penghuni di dalam ruangan?
3. Bagaimana penataan ruang yang sederhana dan nyaman bagi petani
di iklim tropis?

Tujuan Penelitian
1. Merancang tata ruang bangunan Eco-house sesuai dengan aspek kenyamanan
termal
2. Mensimulasikan hasil rancangan tata ruang bangunan Eco-house
menggunakan aplikasi Computational Fluid Dynamics (CFD)
3. Merancang bangunan Eco-house yang sesuai dengan kenyamanan termal
pada iklim tropis basah

Manfaat Penelitian
Desain bangunan Eco-house disimulasikan dengan menggunakan metode
Computational Fluid Dynamics (CFD) pada Ruangan Laboratorium Teknik
Lingkungan Biosistem yang divalidasikan, lalu diterapkan pada desain penataan
ruang Eco-house. Penelitian diharapkan dapat memberikan informasi dan data
yang akurat mengenai penataan ruang yang nyaman dan ideal bagi penghuni
bangunan Eco-house pada wilayah yang memiliki iklim tropis basah.

3
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada persepsi bahwa bangunan Ecohouse daerah iklim tropis basah dengan asumsi Sehingga geometri yang
disimulasikan berasumsi geometri tunggal tanpa adanya geometri lain yang dapat
mempengaruhi parameter fisik lingkungan rumah tanaman.
1. Radiasi permukaan atau pun pola aliran tidak dipengaruhi adanya
pohon dan bangunan lain di sekitar bangunan Eco-house.
2. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi
3. Udara tidak terkompresi, dimana udara di lingkungan bangunan
tidak dipengaruhi oleh tekanan udara disekitarnya
4. Udara bergerak dalam keadaan steady, dimana udara bergerak
dengan kecepatan konstan
5. Panas jenis, konduktivitas dan viskositas dianggap konstan, yaitu
kayu dan beton

TINJAUAN PUSTAKA

Proses Desain

Menurut Harsokoesoemo (1999) pada Gambar 1 menunjukkan bahwa
perancangan adalah kegiatan awal dari usaha merealisasikan suatu produk yang
keberadaannya dibutuhkan oleh masyarakat untuk meringankan hidupnya.
Perancangan bangunan Eco-house yang nyaman dan ideal merupakan keadaan
yang disesuaikan dengan kualitas hunian bangunan tersebut, dalam hal penelitian
ini adalah penataan ruang yang baik yang dipengaruhi oleh beberapa aspek, antara
lain: kondisi termal dalam bangunan, kenyamanan termal dan ventilasi alami.
NO

Identifikasi
Kebutuhan

Analisis masalah,
spesifikasi produk
dan perancangan
proyek

Perancangan
konsep
produk

Perancangan
produk

Dokumen
untuk
pembuatan
produk

Evaluasi
produk hasil
rancangan

YES

Gambar 1 Proses Perancangan (Harsokoesoemo, 1999)
Pengendalian termal bangunan Eco-house yang mengandalkan dukungan alam
di dalam bangunan disebut pengendalian pasif atau pengendalian struktural.
Usaha pengendalian pasif memang tidak dapat selalu diharapkan dapat
menghasilkan kondisi termal sesuai yang diinginkan sepanjang hari, karena
elemen bangunan dan lingkungan sekitarnya mempunyai kemampuan
pengendalian termal yang terbatas. Dalam perancangan bangunan Eco-house
dilakukan semaksimal mungkin usaha pengendalian pasif dengan memanfaatkan

4
peristiwa alami dan sifat-sifat bahan dan konstruksi bangunan. Eco-house
(Hejgaard, 2002) berkaitan dengan metoda kehidupan masyarakat dan cara
hidupnya, seperti lahan, tanah, bumi yang ditinggali, air, angin/aliran udara,
tanaman dan binatang, serta daur ulang pada limbah supaya dapat kembali ke
bumi dan dapat dimanfaatkan lagi pada masa yang akan datang dan secara
menyeluruh mengurangi dampak yang besar dan luas dimana pengaplikasiannya
ada pada bangunan berbasis arsiterktur hijau (Eco-house)

Bangunan Eco-house
Iklim atau cuaca rata-rata merupakan fungsi matahari. Kata ‘climate’ berasal
dari bahasa Yunani ‘klima’ yang berarti kemiringan bumi yang terkena cahaya
matahari. Ciri-ciri iklim tropis basah antara lain: curah hujan tinggi, kelembaban
tinggi, temperatur udara panas sampai dengan normal, angin (aliran udara) sedikit,
radiasi matahari sedang sampai kuat (matahari bersinar sepanjang tahun). Pada
iklim tropis basah, badan kita seringkali diperhadapkan pada situasi dimana harus
menghadapi beban termal secara konstan. Kenyamanan termal sangat diperlukan
untuk mengatasi masalah ini. Kenyamanan termal merupakan suatu kondisi
pemikiran yang mengekspresikan kepuasan atas lingkungan termalnya. Eco-house
memerlukan kondisi kenyamanan tropis sekitar 23.5 oC sampai 26.8 oC dan
kelembaban 60-70% (Harsono 2004).
Rancangan Eco-house mempunyai syarat utama yaitu berkaitan antara
manusia dan alam, khususnya lahan pertanian. Rancang bangun suatu struktur
rumah sederhana Eco-house sebagai kajian cukup mampu menahan beban orang
tinggal dan beban konstruksi, dalam penerapan teknik secara riil memanfaatkan
aliran udara alami untuk menahan efek radiasi matahari di siang hari. Proses
pengendalian lingkungan di dalam bangunan model adalah pendinginan.
Penggunaan sistem ventilasi pada bangunan Eco-house membantu proses
pendinginan di dalam ruangan Eco-house karena adanya pertukaran udara di
dalam ruangan dimana terdapat gerakan udara, yang mengalir ke dalam dan
mendorong udara yang sudah ada di dalam keluar dari ruangan dengan kecepatan
linier tertentu dan laju volumetrik tertentu. Gerakan udara tersebut secara alamiah
dapat berasal dari efek angin dan atau efek termal. Keefektifan sistem ventilasi
efek angin bergantung kepada arah hembusan angin terhadap konfigurasi
bangunan Eco-house. Sistem ventilasi efek angin yang paling efisien disebut
“cross ventilation” (ventilasi melintang) terhadap arah angin dengan sistem
bentang ganda pada bangunan agar jarak tempuh aliran udara melintang bangunan
lebih panjang sehingga mengurangi efektivitas aliran udara di dalam bangunan
dan menurunkan suhu. Umumnya konstruksi dan tata ruang daerah tropis
menggunakan konstruksi bangunan terbuka, yaitu pada sisi dan dindingnya seperti
jendela dan pintu untuk memudahkan aliran udara karena efek angin melalui
bangunan. Pada buku Lingkungan dan Bangunan Pertanian menjelaskan bahwa
luas bukaan yang diperlukan tergantung pada laju ventilasi yang diperlukan. Luas
bukaan masuk (inlet) harus sama dengan luas bukaan keluar (outlet). Nilai
efektivitas bukaan (E) pada persamaan di atas dapat lebih bervariasi tergantung
pada kondisi dinding dan sisi bangunan. Ventilasi efek termal dapat bersifat
komplementer terhadap ventilasi efek angin, dimana penambahan lubang-lubang

5
ventilasi pada bagian bawah atap bangunan akan membuat udara mengalir dari
bawah bangunan menuju ke bagian atas bangunan karena adanya gaya apung
udara. Pada Gambar 2 dapat terlihat besarnya kecepatan aliran udara yang timbul
akibat dari gaya apung udara tergantung dari perbedaan antara suhu di dalam dan
luar bangunan, volume udara yang mengalir per satuan waktu tergantung pada
luas bukaan, perbedaan tekanan statis dan tipe inlet.

Gambar 2 Total Luasan Inlet pada Ventilasi

Dimana:

A
Q
I
c
a

=
=
=
=
=

luasan inlet total (m2)
total pertukaran udara (l/s)
total udara masuk dalam infiltrasi (l/s)
udara yang masuk melalui inlet (l/s)
luasan masing-masing inlet (m2)

Dalam penggunaannya kedua sistem ventilasi ini dapat berjalan secara bersamaan
(kombinasi). Pengaruh sistem ventilasi terhadap keadaan termal di dalam
bangunan dapat disimulasikan menggunakan metode computational fluid
dynamics (CFD) dimana pengaruh suhu, kelembaban relatif dan kecepatan angin
dapat ditunjukkan secara visual.

Computational Fluid Dynamics (CFD)

CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida,
perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan
persamaan-persamaan matematika (Tuakia 2008). CFD dapat dibagi menjadi dua
kata-kata, yaitu “computational” yang berarti segala sesuatu yang berhubungan
dengan matematika dan metoda numerik atau komputasi, dan “fluid dynamics”
yang berati dinamika dari segala sesuatu yang mengalir . CFD terbentuk
berdasarkan algoritma numerik dari permasalahan fluida yang terjadi sehingga
dibutuhkan solusi permasalahan berdasarkan parameter-parameter yang
mempengaruhi sifat fluida tersebut. Di dalam CFD, terdapat tiga tahapan, yaitu
pra pemrosesan (pre-processor), pencarian solusi (solver) dan pasca pemrosesan
(post-processor) yang harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan
dalam melakukan pemrosesan (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

6
Sebuah perangkat lunak CFD memberikan kekuatan untuk mensimulasikan
aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak,
aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik
hanya dengan pemodelan di komputer. Perangkat lunak ini dapat membuat virtual
prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan
kondisi nyata di lapangan CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau
kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari informasi keandalan sistem yang
didesain. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang
kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang dimasukan) (Tuakia 2008).

METODE PERANCANGAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem,
Departemen Teknik Mesin dan Biositem, FATETA-IPB. Penelitian dilaksanakan
pada bulan Februari sampai Mei 2013

Bahan dan Alat
Pada penelitian ini dalam desain dan simulasi memakai software Solidworks
Premium 2011. Beberapa peralatan yang dipakai pada penelitian ini antara lain;
1. Komputer DELL XPS 8300 64-bit, Intel (R) Core (TM) i7-260 CPU
@3.40 GHz RAM12.0GB.
Gambar 3 menunjukkan komputer yang digunakan untuk menjalankan
software Solidworks untuk membangun desain geometrik dan dapat
bekerja untuk menganalisis suatu proses pindah panas dengan metode
Computational Fluid Dynamics (CFD).
2. Hybrid Recorder, Yokogawa Model MV 2048-1-4-2-2-1F, Supply 100-240
VAC, Frequency 50/60 Hz (gambar 3). Berfungsi untuk mengonversi
pembacaan temperatur dari sensor termokopel. Temperatur akan tersimpan
secara otomatis didalam hybrid recorder dan dapat diatur pembacaan
temperaturnya sesuai pengulangan waktu yang diinginkan.
3. Termokopel (Gambar 3)
Jenis termokopel yang dipakai tipe CC atau T, yang dapat dipakai untuk
mengukur suhu antara -200 – 350 oC. Ditempatkan pada titik-titik
(Gambar 7) tertentu pada lingkungan penelitian dan dihubungkan dengan
hybrid recorder
4. Termometer
Termometer yang digunakan adalah termometer bola basah dan
termometer bola kering.

7

Gambar 3 Komputer DELL XPS, hybrid recorder, Termokopel
Penggunaannya untuk mengukur suhu di dalam bangunan dengan jeda
waktu pembacaan suhu relatif lama dan digunakan sebagai pembanding
pengukuran dengan menggunakan sensor termokopel (Gambar 4)
5. Anemometer
Smart Sensor AR836 ‘Plus, berfungsi untuk mengukur kecepatan angin
dan besarnya tekanan angin (Gambar 4)

Gambar 4 Termometer dan Anemometer

Merancang Tata Ruang Bangunan Eco-house

Tahapan kegiatan proses perancangan tersebut antara lain; pengukuran
parameter iklim mikro, analisis pindah panas konveksi dan validasi hasil
pengukuran dengan hasil simulasi. Proses perancangan dapat dilihat pada
diagram alir berikut:

8

Proses Desain

Rincian Proses Desain Eco-house

Identifikasi Kebutuhan

Kenyamanan termal (Suhu dan
Kelembaban Relatif)
Iklim tropis yang tidak sesuai
dengan syarat kenyamanan termal

Analisis masalah, spesifikasi produk dan
perancangan proyek

Perancangan konsep produk

Pertukaran (sirkulasi) udara

Perancangan produk

Pertukaran udara (ventilasi)

No

o
Validasi
Simulasi
CFD

Pengambilan Data Suhu,
RH dan kec angin

Simulasi Lab TLB
menggunakan CFD

Evaluasi produk
hasil rancangan

menggunakan
CFD
(Ventilasi
alamiah efek
angin dan efek
termal)

N
Validasi Hasil
Simulasi dan
Hasil Pengukuran

Y
Data keakuratan
hasil simulasi

Proses Desain
Tata Ruang
Bangunan
Eco-house

Merancang tata ruang
bangunan Eco-house

Yes

Simulasi rancangan Tata Ruang
bangunan Eco-house
N

Kenyamanan
Termal (T dan RH)

Y

Selesai

Dokumen untuk pembuatan produk

Tata ruang bangunan Eco-house yang
sesuai dengan kenyamanan termal

Gambar 5 Diagram Alir Proses Perancangan Tata Ruang

9
Evaluasi Produk Hasil Rancangan

Validasi Simulasi CFD
Data yang telah direkam selama pengambilan data seperti, besarnya
temperatur, kecepatan angin dan kelembaban relatif merupakan data masukan
yang akan dipakai pada proses simulasi. Metode CFD akan memperlihatkan hasil
pengukuran diseluruh titik dengan mesh sebesar 5 mm. Hasil simulasi dilihat
keakuratannya dengan membandingkan antara nilai suhu antara hasil pengukuran
di lapangan dan hasil simulasi dan menjadi data masukan yang sama dalam desain
tata ruang bangunan Eco-house.
Berikut merupakan langkah-langkah dalam simulasi menggunakan CFD:

Mulai

Penggambaran Geometri (part dan assembly)

Set kondisi umum (ambien)

Pre-processor

Set kondisi batas (boundary
conditions dan goal parameters)

Run
Meshing
No

Solver
Calculation
Konvergen
Yes

Plot kontur, grafik dan data dari goal
parameters

Postprocessor

Selesai
Gambar 6 Langkah-langkah Simulasi CFD (Tuakia, 2008)
Pengukuran dimensi Laboratorium TLB yang dilakukan mencakup
keseluruhan bangunan, yaitu panjang, lebar dan tinggi, ukuran jendela dan pintu
serta komponen-komponen di dalam laboratorium seperti meja, lemari dan rak
buku yang dianggap memengaruhi aliran udara di dalam ruangan Pada gambar 7
ditunjukkan ada 26 titik yang disebar di dalam dan luar ruangan.Titik-titik
pengukuran yang diambil untuk proses simulasi sebanyak 24 titik yang mewakili

10
keadaan termal di dalam dan luar ruangan. Sumbu x dan sumbu z menunjukkan
panjang dan lebar ruangan, dimana sumbu –x mengarahkan bagian depan
ruangan, dan sumbu x ke bagian belakang ruangan. Sumbu y mengarahkan ke
bagian atas ruangan, dimana titik pengukuran sumbu y yang diambil, y= 50cm, y=
150cm, dan y= 250cm. Pengukuran dimulai jam 4 pagi dan data yang diambil satu
jam sekali.

Gambar 7 Penempatan Titik-titik Pengukuran Lab TLB
Geometri Lab TLB digambar menggunakan software Solidworks Premium
2011. Koordinat kartesian (0,0,0) terletak ditengah-tengah bangunan. Geometri
bangunan yang digambar mendekati keadaan yang sebenarnya sesuai pengukuran
di lapangan, setelah geometri siap digunakan, computational domain diatur
sebagai tempat perhitungan simulasi pada Tabel 1
Tabel 1 Daerah Perhitungan Simulasi (computational domain) Lab TLB
Koordinat
Xmax
Xmin
Ymax
Ymin
Zmax
Zmin

Jarak (m)
24.6
-16
14
-13
14
-14

Validasi dilakukan untuk membandingkan antara hasil pengukuran dengan
hasil simulasi menggunakan CFD pada titik-titik tertentu yang diinginkan
menggunakan grafik perbandingan keakuratan hasil pengukuran dan hasil
simulasi dengan persamaan f(x)=y dimana persamaan tersebut akan membentuk
garis linier 450

Proses Desain Tata Ruang Bangunan Eco-house

Proses desain tata ruang bangunan Eco-house diawali dengan perancangan
tata ruang bangunan Eco-house dengan menerapkan sistem ventilasi alami dengan

11
membandingkan keadaan termal penggunaan ventilasi alami efek angin dan efek
termal. Proses yang sama untuk data masukan simulasi CFD pada Lab TLB
diterapkan pada simulasi bangunan Eco-house. Dimulai dengan penggambaran
part bangunan, lalu assembly kemudian gambar geometri tersebut masuk pada
tahap run, solver dan calculation sampai pada tahap konvergen. Tabel 2
merupakan daerah perhitungan simulasi bangunan Eco-house setelah
penggambaran geometri. Hasil running berupa tabel dan grafik disesuaikan
sampai mencapai kenyaman termal
Tabel 2 Daerah Perhitungan (computational domain)
Simulasi Bangunan Eco-house
Koordinat
Xmax
Xmin
Ymax
Ymin
Zmax
Zmin

Jarak (m)
4.1
-2.7
3.1
-2.7
3.5
-2.7

HASIL DAN PEMBAHASAN

Validasi Hasil Simulasi

Data Keadaan Termal Lab TLB

Suhu Lingkungan

RH

90
85
80
75
70
65
60
55
50

Kelembaban Relatif (%)

34
33
32
31
30
29
28
27
26
25

4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00

Suhu (Celcius)

Pada Gambar 8 dapat dilihat kelembaban udara disekitar Lab. TLB pada
grafik cenderung mengalami penurunan seiring dengan peningkatan suhu menuju
tengah hari, lalu naik lagi pada malam hari. Kelembaban relatif udara di sekitar
bangunan tertinggi terjadi pada pagi hari sebesar 85% dan terendah sekitar pukul
12.00 hingga pukul 17.00 sebesar 59%.

Waktu Pengambilan Data (WIB)

Gambar 8 Keadaan Suhu dan Kelembaban Relatif sebagai Masukan boundary
conditions Simulasi Lab TLB

12
Kecepatan angin yang ditunjukkan pada Gambar 9 diperoleh pada saat
pengambilan data berkisar antara 0 – 0.9 m/det. Kecepatan angin tertinggi terjadi
pada sore hari sebesar 0.9 m/det yang langsung mempengaruhi kelembaban relatif
udara disekitar bangunan.
19:12
14:24
Kecepatan Angin

9:36

4:48
0:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00

Velocity (m/det)

0:00

Waktu Pengambilan Data (WIB)

Gambar 9 Perubahan Kecepatan Angin Lab TLB
Simulasi Keadaan Termal Lab TLB menggunakan CFD
Proses simulasi diawali dengan penggambaran geometri Lab TLB, setelah
dilakukan penggambaran geometri (Gambar 10 (pre-processor)), data yang
menjadikan masukan sebelum simulasi pada boundary conditions CFD diambil
dari data hasil rekaman suhu dari hybrid recorder, kelembaban relatif dan
kecepatan angin. Hasil simulasi yang akan ditunjukkan mewakili keseluruhan data
yang ada. Data hasil simulasi yang akan ditampilkan merupakan data yang dapat
dilihat secara langsung pengaruh antara suhu udara dengan kelembaban relatif
lingkungan juga kecepatan angin, dapat juga dilihat pada waktu suhu berada pada
titik terendah dan pada titik tertinggi yang akan mempengaruhi suhu di dalam
bangunan.

Gambar 10 Geometri Bangunan Lab TLB
Penetapan general settings dilakukan untuk mengatur kondisi awal simulasi,
dimana proses simulasi rancangan tata ruang bangunan Eco-house diawali dengan
proses simulasi Lab TLB yang diuji keakuratannya lalu diterapkan pada proses

13
perancangan tata ruang bangunan Eco-house. Tabel 3 merupakan kondisi
pengaturan awal simulasi di Lab TLB yang dimulai dengan penggambaran
geometri. Data yang dimasukkan untuk simulasi merupakan data pengukuran
keadaan lingkungan lab TLB yang nantinya berfungsi sebagai data masukan
boundary conditions, goal parameters dan penguji keakuratan hasil simulasi.
Tabel 3 Kondisi Data Masukan Simulasi

Pukul

Suhu
Lingkungan (oC)

RH
lingkungan (%)

04.00
09.00
11.00
14.00
19.00
24.00

30
30.5
31
32
30
29

86
62
60
59
61
70

Kecepatan
angin
lingkungan
(m/det)
0.4
0.3
0.3
0.3
0.9
0

Data masukan pada General Settings seperti pada Gambar 11 dilakukan
setelah penggambaran geometri Lab TLB. Pada General Settings, tipe analisis
aliran simulasi dipilih tipe aliran eksternal tanpa memasukkan cavities, dimana
bagian yang dianalisis adalah bagian luar bangunan Lab TLB dan pengaruhnya
terhadap bagian dalam geometri bangunan. Berdasarkan proses pindah panas yang
terjadi di dalam rumah, maka proses konveksi yang terjadi pada material padat
diperhitungkan. Fluida yang dianalisis adalah udara (air) dengan tipe aliran
laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara. Permukaaan
dinding terluar diatur memakai wall conditions yang telah disediakan oleh CFD,
yaitu Brick, red and rough dengan kekasaran sebesar 0.013 μm. Pada initial mesh
diatur sesuai pengaturan default, yaitu automatic settings, dimana level of initial
mesh yang dipakai sebesar 3.
Pada pengaturan boundary conditions, ventilasi alami, seperti jendela, pintu
dan ventilasi atap menjadi masukan udara (inlet velocity) pada proses simulasi dan
juga diatur tempat keluaran udara (environment pressure), agar proses aliran udara
secara konduksi dan konveksi dapat terjadi. Dinding bangunan yang terkena udara
secara langsung diatur sebagai real wall, dimana sebagai kondisi batas geometri
internal rumah yang akan dipengaruhi oleh kondisi luarnya.
Hasil (goals) yang diperlukan pada proses simulasi ini sama dengan
simulasi ruangan Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem, dimana temperatur
suhu udara di luar dan di dalam ruangan sebanyak 24 titik (surface goals),
kecepatan angin rata-rata (global goal velocity (average)) dan kelembaban udara
relatif (global goal relative humidity (average))

14

(a)

(b)

(d)

(e)

(c)
Gambar 11 Data Masukan Simulasi (a) Tipe Analisis Simulasi (b) Tipe
Analisis Fluida (c) Pengaturan Paterial Padat (d) Kondisi Dinding
(e) Kondisi Lingkungan

15
Hasil Simulasi Lab TLB

Simulasi keadaan termal Lab TLB dilakukan selama 24 jam. Pada Gambar
12 dan 13 merupakan keadaan termal Lab TLB pada pukul 14.00 dan 19.00 yang
akan diuji keakuratan hasil simulasinya, dengan gambar keadaan termal pukul
04.00 dan 09.00 (Lampiran 3).

(a)

(b)

Gambar 12 Perubahan suhu (atas) dan Kelembaban Relatif Udara (bawah)
Lab TLB pukul 14.00 (a) Tampak Samping (b) Tampak Depan
Panas tertinggi berada pada 1-2 jam setelah tengah hari, dimana pada pukul
14.00 suhu udara sekitar bangunan mencapai 32.5 oC ditunjukkan oleh Gambar
12. Pada saat tersebut radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara
yang sudah tinggi dan kelembaban udara yang rendah. Pada gambar dapat dilihat
perubahan suhu di dalam ruangan dimana bagian bawah (lantai) sampai bagian
tengah ruangan lebih rendah suhunya dibanding bagian atas ruangan, disebabkan
ruangan masih menyimpan udara panas yang mengalir dari lingkungan dari
waktu–waktu sebelumnya. Suhu tertinggi di dalam ruangan pada saat tersebut,
mencapai 32.12 oC dan suhu terendah sebesar 29.99 oC. Kecepatan angin
maksimal yang terjadi sebesar 0.46 m/det, dengan kelembaban relatif udara
sekitar 55-59%.

16
Pada Gambar 13 dapat dilihat keadaan termal lab TLB pukul 19.00. Pada
saat pengambilan data, kecepatan angin naik sebesar 0.9 m/det di dalam ruangan
dengan kelembaban udara sekitar 60%. Gambar perubahan suhu di dalam ruangan
yang didapat menunjukkan kecepatan angin dari luar ruangan sekitar 4 m/det dan
menyebabkan angin berputar-putar di dalam ruangan. Hal ini juga disebabkan
kerapatan suhu udara yang rendah di dalam ruangan dan panas dari suhu udara
luar yang tersimpan di dalam ruangan dari waktu-waktu sebelumnya membuat
kecepatan angin meningkat masuk ke dalam ruangan, serta bercampur dengan
kelembaban yang rendah membuat angin di dalam ruangan terasa lebih kering
pada saat itu. Kecepatan angin yang tinggi dari luar ruangan yang menabrak
ruangan menyebabkan terjadinya olakan yang besar di bagian depan ruangan.
Suhu tertinggi di dalam ruangan mencapai 30.59 oC dan suhu terendah sebesar
30.14 oC. Kelembaban di dalam ruangan juga tidak berbeda jauh dengan diluar
ruangan.

(a)

(b)

Gambar 13 Perubahan suhu (atas) dan Kelembaban Relatif Udara
(bawah) Lab TLB pukul 19.00 (a) Tampak Samping (b) Tampak Depan
Validasi Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran
Validasi merupakan suatu kegiatan pembuktian keakuratan suatu hasil
simulasi terhadap hasil pengukuran yang sebenarnya. Nilai ketepatan antara hasil
simulasi dan hasil pengukuran ditunjukkan dalam bentuk tabel maupun grafik.
Grafik pada Gambar 14 berikut menunjukkan keakuratan antara hasil simulasi
pada pukul 04.00, pukul 09.00, pukul 14.00, dan pukul 19.00 di semua titik
pengukuran. Pada pukul 04.00 validasi maksimal mencapai 100% dan yang

17

Suhu (oC)

terkecil sebesar 96%, sedangkan pada pukul 09.00 validasi maksimal mencapai
100% dan minimum sebesar 97%. Pada pukul 14.00 didapat validasi maksimal
100 % dan minimum sebesar 98%. Pada pukul 19.00, validasi maksimal sebesar
100% dan minimum sebesar 97%.
32
30
28
26
24
22
20

T. Ukur

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
30 30 25 25 26 26 27 27 26 26 26 27 26 27 26 26 26 26 26 26 26 26 27 30

T. Simulasi 30 30 25 25 26 26 27 28 26 26 26 27 27 28 26 27 26 27 27 26 27 26 27 30
Titik Pengukuran

Suhu (oC)

(a)
32
31
30
29
28
27
26
25

T. Ukur

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
30 30 28 28 29 29 28 29 28 29 29 29 29 30 28 29 28 29 30 29 29 29 29 30

T. Simulasi 30 30 29 29 29 28 29 29 29 29 29 29 29 30 28 29 28 29 30 29 29 29 29 30

Titik Pengukuran

Suhu (oC)

(b)
34
33
32
31
30
29
28
27

T. Ukur

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
33 33 30 30 30 30 30 31 30 31 30 32 31 31 30 31 30 30 32 30 31 30 31 33

T. Simulasi 33 33 30 30 30 30 30 31 30 31 30 32 30 31 30 31 30 30 32 30 31 30 31 33
Titik Pengukuran

(c)
Gambar 14 Perbandingan Suhu Udara Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran
pada (a) Pk 04.00 (b) Pk 09.00 (c) Pk 14.00

Suhu (oC)

18
31.5
31
30.5
30
29.5
29
28.5
28
27.5

T. Ukur

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 31 30 30 29 30 30 30 31 30 30 31 30 30

T. Simulasi 30 30 30 30 30 30 31 30 30 30 30 31 30 31 29 31 30 30 31 30 30 30 30 30
Titik Pengukuran

Gambar 15 Perbandingan Suhu Udara Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran
Pukul 19.00
Pengujian keakuratan data juga dapat diperoleh dengan menggunakan
analisis regresi linier yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu hasil
pengukuran dan hasil simulasi pada suatu grafik. Persamaan yang terjadi secara
umum berupa persamaan f(x)=y, dimana persamaan tersebut membentuk garis
linier 45o dan titik-titik pengukuran serta simulasi dengan keakuratan yang tinggi
akan berada pada garis linier tersebut.
35
Suhu Simulasi (oC)

Suhu Simulasi (oC)

35
30
25
20
15

33
31

29
27
25

15

25

35

25

Suhu Pengukuran (oC)

35

Suhu Pengukuran (oC)
(b)

(a)

35

35
Suhu Simulasi (oC)

Suhu Simulasi (oC)

30

33
31
29
27

33
31
29
27

25

25
25

30
Suhu Pengukuran (oC)
(c)

35

25

30

35

Suhu Pengukuran (oC)
(d)

Gambar 16 Grafik Perbandingan Suhu Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran
pada (a) Pk 04.00 (b) Pk 09.00 (c) Pk 14.00 (d) Pk 19.00

19
Tata Ruang Bangunan Eco-house, Simulasi Sebaran Suhu
dan Kelembaban Relatif Bangunan Eco-house
Tata Ruang Bangunan Eco-house
Hasil rancangan tata ruang bangunan Eco-house dapat dilihat pada
Gambar 17. Pada Gambar 17 ditunjukkan gambar geometri dari bangunan Ecohouse yang akan disimulasi dengan daerah perhitungan simulasi (computational
domain) ditunjukkan pada Tabel 2. Bangunan memiliki dimensi 13500 x 6600
mm dengan rancangan tataruang yang dapat dilihat pada Gambar 18 dan
Lampiran 1, terdiri atas ruang utama, dua kamar tidur, dapur dan kamar mandi.

(a)

(b)

Gambar 17 Bentuk Bangunan Eco-house (a) tampak depan (b) tampak samping

Gambar 18 Tata ruang dan Penempatan Titik-titik Pengukuran pada
Bangunan Eco-house
Simulasi Perubahan Suhu dan Kelembaban Relatif Di Dalam Tata Ruang
Bangunan Eco-house
Pada Gambar 18 menunjukkan pemilihan titik-titik meshing yang dipakai
sebagai titik-titik pengukuran simulasi rancangan tata ruang pada setiap percobaan
1, 2, 3, dan 4. Ada 24 titik (surface goals) yang disebar di dalam ruangan Ecohouse dalam simulasi dimana setiap titik mewakili keadaan termal ruanganruangan di dalam bangunan. Titik-titik meshing yang dipilih memiliki ketinggian

20
yang berbeda-beda yang sejajar dengan sumbu y, dimana y= 50cm, y= 150cm,
dan y= 250cm
Proses perancangan tata ruang bangunan Eco-house dilakukan dengan
memodifikasi bukaan ventilasi (A) yang akan memengaruhi laju total pertukaran
udara (Q) di dalam bangunan sampai mencapai kenyamanan termal, dimana
dilakukan empat percobaan simulasi rancangan (Lampiran 3), yaitu:
1. Bukaan ventilasi (A) = 0
2. Memberikan ukuran yang sama ke setiap bukaan ventilasi (jendela dan
pintu) (A1) dengan ukuran jendela 450x750 mm dan ukuran pintu
1800 x 900mm
3. Ukuran bukaan ventilasi diperbesar dari ukuran sebelumnya (A2>A1)
dengan ukuran jendela 600x1500mm dan ukuran pintu 2100 x1000mm
4. Ukuran bukaan ventilasi sama dengan percobaan ketiga dengan
penambahan ventilasi atap dan modifikasi bahan bangunan (A2 +
Ventilasi atap)
Percobaan pertama dimana bukaan ventilasi A=0, seluruh ruangan dibuat
tertutup sehingga tidak terjadi pertukaran udara sama sekali. Percobaan kedua,
dimana ruangan disimulasi dalam keadaan terbuka dan ukuran semua jendela
dibuat sama juga dengan kedua pintu. Pada percobaan ketiga, ukuran bukaan
ventilasi dibuat lebih besar dari ukuran sebelumnya agar aliran udara bisa lebih
banyak masuk ke dalam ruangan dan percobaan keempat merupakan
penyempurnaan dari percobaan ketiga dimana dilakukan penambahan ventilasi
atap serta material bangunan yang dipakai, yaitu penggunaan bahan poros medium
pada bagian plafon di dalam ruangan dan semua wall didefinisikan terisolasi
secara termal terhadap keadaan lingkungan. Modifikasi bahan bangunan pada
simulasi dilakukan pada proses empat untuk mendapatkan kenyamanan termal
yang lebih sesuai dengan syarat kenyaman termal masyarakat di iklim tropis.
Gambar 19 menunjukkan grafik perubahan suhu yang diperoleh setelah
melakukan simulasi pada percobaan 1, 2, 3 dan 4 selama 24 jam yaitu titik 3, 8,
13, 16, 19, 22. Titik – titik tersebut berada pada sumbu y= 150cm atau berada di
tengah-tengah tiap ruangan yang dirancang. Pada Gambar 19 (a) merupakan
grafik hasil simulasi percobaan pertama yang dibandingkan dengan suhu
lingkungannya, dimana di tiap titik suhu yang diperoleh sekitar 27.5 – 32.5 oC.
Pada Gambar 19 (b) ditunjukkan hasil simulasi percobaan kedua dengan ruangan
dalam keadaan terbuka diperoleh suhu 27.8 -32.3 oC dan kelembaban relatif 57 –
86%. Pada percobaan pertama dan kedua hasil diperoleh jauh dari syarat
kenyamanan termal dimana tiap titik menunjukkan suhu dan kelembaban dalam
ruang yang cenderung mendekati keadaan lingkungannya, suhu yang cenderung
fluktuatif dari waktu ke waktu dan kelembaban relatif yang tinggi disebabkan
pindah panas konveksi langsung dari luar ke dalam bangunan dan juga terjadi
rambat panas konduksi di dinding bangunan akibat radiasi matahari langsung turut
memanaskan udara di dalam bangunan.

1:00

4:00
4:00

22:00

19:00

16:00

13:00

Waktu Simulasi (WIB)

(a) Percobaan 1

(b) Percobaan 2

34

34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24

32
Suhu (oC)

30
28
26
24

Waktu Simulasi (WIB)
(c) Percobaan 3

22:00

19:00

16:00

13:00

10:00

7:00

20
4:00

4:00

1:00

22:00

19:00

16:00

13:00

10:00

7:00

22
4:00

Suhu (oC)

1:00

Waktu Simulasi (WIB)

10:00

4:00

7:00

34
33
32
31
30
29
28
27
26
25

4:00

1:00

22:00

19:00

16:00

13:00

10:00

7:00

Suhu (oC)

34
33
32
31
30
29
28
27
26
25

4:00

Suhu (oC)

21

Waktu Simulasi (WIB)
(d) Percobaan 4

Gambar 19 Perubahan Suhu Udara Lingkungan (biru) dan Hasil Simulasi di
dalam Ruangan (6 titik) Selama 24 jam pada Setiap Tahap Percobaan
Pada percobaan ketiga yang ditunjukkan oleh Gambar 19 (c)
memperlihatkan grafik suhu simulasi yang diperoleh dengan luas bukaan yang
lebih besar dari luas bukaan yang sebelumnya dengan suhu hasil simulasi di
dalam ruangan cenderung lebih rendah dibanding suhu lingkungannya yaitu
sekitar 28 – 31 oC. Pada percobaan terakhir, Gambar 19 (d), diperoleh suhu yang
mencapai kenyamanan termal, yaitu 21.9 – 25 oC yang menyebar rata di seluruh
ruangan bangunan.
Pada Gambar 20 (a) diperoleh kelembaban hasil simulasi 55 – 85.3%,
dimana pada saat tersebut tidak ada aliran udara yang masuk ke dalam ruangan.
Gambar 20 (b) diperoleh hasil simulasi 57 – 86%. Pada percobaan kedua bukaan
ventilasi bangunan sudah dalam keadaan dialiri udara. Pada percobaan ketiga
diperoleh kelembaban relatif 64 – 72%. Hasil simulasi yang diperoleh sudah
hampir mencapai syarat kenyamanan termal walaupun masih terjadi fluktuasi

22

Waktu Simulasi (WIB)

4:00

1:00

22:00

4:00

1:00

22:00

19:00

16:00

13:00

10:00

7:00

90
85
80
75
70
65
60
55
50
4:00

4:00

Kelembapan Relatif (%)

Waktu Simulasi (WIB)

1:00

22:00

19:00

16:00

13:00

10:00

7:00

19:00

(b) Percobaan 2

90
85
80
75
70
65
60
55
50
4:00

Kelembapan Relatif (%)

16:00

Waktu Simulasi (WIB)

(a) Percobaan 1

(c) Percobaan 3

13:00

7:00

10:00

90
85
80
75
70
65
60
55
50
4:00

4:00

1:00

22:00

19:00

16:00

13:00

10:00

7:00

Kelembapan Relatif (%)

90
85
80
75
70
65
60
55
50
4:00

Kelembapan Relatif (%)

suhu (tidak merata) di beberapa ruangan bangunan. Pada percobaan keempat
diperoleh suhu hasil simulasi kombinasi efek angin dan efek termal dimana
kelembaban relatif cenderung sama setiap ruangan antara 62.9 – 69% pada
Gambar 20 (d)

Waktu Simulasi (WIB)
(d) Percobaan 4

Gambar 20 Perubahan Kelembaban Relatif Udara Lingkungan (biru) dan
Hasil Simulasi (6 titik) Selama 24 jam pada Setiap Tahap Percobaan
Dari hasil simulasi setiap percobaan yang dilakukan, yaitu suhu dan
kelembaban relatif yang ditunjukkan pada Gambar 19 dan 20 pada setiap
percobaan maka percobaan 4 dipilih sebagai hasi rancangan yang mencapai
kenyaman termal, pada subbab selanjutnya akan dijelaskan hasil simulasi CFD
pada percobaan 4.
Sebaran Suhu dan Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Tata Ruang
Bangunan Eco-house
Desain tata ruang ini sepenuhnya memakai ventilasi alami dalam
penyediaan udara yang sejuk di dalam ruangan, dengan konsep pengaliran udara

23
secara alami dan menyeluruh ke dalam ruangan. Proses perancangan diawali
dengan simulasi perancangan tata ruang dengan pemanfaatan efek angin saja pada
percobaan pertama sampai ketiga, yaitu udara mengalir dari jendela dan pintu
yang terbuka terhadap arah angin, kemudian dilakukan simulasi rancangan dengan
pemanfaatan efek termal pada percobaan 4 yaitu penambahan lubang-lubang
angin (ventilasi) pada bagian atap bangunan. Bukaan udara terdiri dari satu pintu
depan dan pintu belakang, dua jendela kamar tidur, masing-masing satu jendela
untuk tiap kamar, satu jendela ruang tamu, dapur dan kamar mandi (Lampiran 1).
Setelah pada langkah desain pertama dimana semua dinding tertutup (tidak ada
ventilasi) akan terjadi akumulasi panas di dalam bangunan maka dirancang
perbaikan disain dengan penambahan ventilasi atap dan modifikasi bahan
bangunan menghasilkan distribusi suhu seperti di bawah ini.
Pada Gambar 21, rancangan percobaan empat pada pukul 04.00 dengan
efek kombinasi memperlihatkan suhu yang lebih hangat di tengah ruangan dan
lebih sejuk dekat aliran masuknya udara dimana terjadi aliran konveksi suhu yang
dipengaruhi kecepatan angin dari lingkungan. Suhu terendah dalam ruangan
sebesar 21.8 oC dan suhu tertinggi sebesar 25.9 oC. Hasil simulasi kecepatan angin
maksimal yang dapat memasuki ruangan sebesar 0.3 m/det hanya berada disekitar
jendela ruangan. Kelembaban relatif pada Gambar 22 terlihat udara merata
disetiap ruangan bangunan dan tidak berbeda jauh dengan kelembaban relatif

lingkungan.
Gambar 21 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang
bangunan Eco-house pada Pk.04.00 Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan)

Gambar 22 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4
Tata Ruang Bangunan Eco-house pada Pk.04.00 Tampak Depan (kiri),
Tampak Atas (kanan)

24
Gambar 23 menunjukkan pukul 09.00 dimana keadaan ruangan dalam
keadaan terbuka dan suhu lingkungan naik menjadi 31 oC serta pada Gambar 24
memperlihatkan RH turun menjadi 67%, pada rancangan ini suhu rendah berada
pada bagian bawah ruangan dan semakin ke atas distribusi suhu mendekati suhu
lingkungannya. Suhu tertinggi mencapai 30 oC. Pada rancangan dengan efek
kombinasi di dalam ruangan terjadi aliran konveksi suhu dari luar ruangan menuju
dalam ruangan, menyebabkan keadaan suhu ruangan naik dari waktu sebelumnya
mendekati keadaan suhu luar ruangan.

Gambar 23 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang
bangunan Eco-house pada Pk.09.00 Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan)

Gambar 24 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4
Tata Ruang Bangunan Eco-house pada Pk.09.00 Tampak Depan (kiri),
Tampak Atas (kanan)
Aliran udara yang hangat dari luar ruangan serta kecepatan angin yang
rendah menyebabkan sebagian besar suhu ruangan menjadi hangat. Suhu udara
tertinggi pada pukul 09.00 mencapai 27 oC dan yang suhu terendah di dalam
ruangan sebesar 22.8 oC. Suhu udara pada atas ruangan cenderung lebih tinggi
dibanding bagian bawah dan tengah ruangan. Kelembaban relatif juga cenderung
merata di setiap ruangan, dimana kelembaban relatif di dalam ruangan lebih tinggi
dibandingkan lingkungannya.
Dari Gambar 25 dapat terlihat bahwa suhu lingkungan hasil masukan
simulasi sebesar 32.7 oC dan suhu pada bagian atas bangunan mendekati suhu
lingkungan antara 29 – 33 oC. Pembuatan lubang-lubang angin pada bagian bawah
atap bangunan membantu mengefektifkan ventilasi efek termal pada rancangan ini
membuat udara mengalir dari bawah bangunan menuju ke bagian atas bangunan
karena adanya gaya apung udara dimana suhu yang tinggi pada saat tersebut
mempunyai kerapatan rendah dan mengalir ke bagian atas bangunan yang bersuhu
rendah.

25

Gambar 25 Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata Ruang
bangunan Eco-house pada Pk.14.00 Tampak Depan (kiri), Tampak Atas (kanan)

Gambar 26 Sebaran Kelembaban Relatif Hasil Simulasi CFD Percobaan 4 Tata
Ruang Bangunan Eco-house pada Pk.14.00 Tampak Depan (kiri), Tampak Atas
(kanan)
Suhu pada bagian atas bangunan cukup panas disebabkan berkumpulnya
panas yang berasal dari suhu lingkungan dan panas yang juga akan keluar dari
dalam bangunan, mengakibatkan efek Chimney terjadi. Pada kondisi ini juga, atap
bangunan tidak didefinisikan menjadi real wall sehingga mendapat pengaruh
langsung dari panas di lingkungan. Panas tertinggi berada pada 1-2 jam setelah
tengah hari, dimana pada pukul 15 suhu udara sekitar bangunan mencapai 35 oC.
Pada saat tersebut radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara yang
sudah tinggi dan kelembaban udara yang rendah. Suhu tertinggi di dalam
bangunan sebesar 31 oC berada pada bagian atas langit-langit bangunan. Pada
Gambar 25 menunjukkan penurunan suhu dari bagian atas bangunan (atap dan
langit-langit) ke bagian tengah dan bawah bangunan (lantai), ini disebabkan oleh
pergerakan angin yang memasuki ruangan d