Kajian Aplikasi Pemanfaatan Efek Dingin Tanah (Ground Cooling) Untuk Pengkondisian Udara Sebuah Ruangan Dengan Luas Bangunan 68,31 m2

(1)

KAJIAN APLIKASI PEMANFAATAN EFEK DINGIN TANAH

(GROUND COOLING) UNTUK PENGKONDISIANUDARA

PADA SEBUAH RUANGAN DENGAN LUAS BANGUNAN

68,31 m

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LOBENYMARKUS HEZEKIEL SINAGA NIM. 070401050

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ABSTRAK

Salah satu potensi yang bisa didapatkan dari tanah adalah efek penyimpan dingin atau sering disebut groundcooling. Pemanfaatan efek groundcooling dapat dilakukan dalam banyak hal, salah satunya adalah untuk pengkondisian udara. Pada skripsi ini, efek dingin tanah (groundcooling) dimanfaatkan sebagai media pengkondisian untuk sebuah ruangan dengan luas 68,31 m2 dengan menggunakan sebuah kontainer dengan ukuran 0,65 m x 0,4 m x 0,5 m. Analisa pemanfaatan efek groundcooling ini dilakukan secara analitik dan numerik menggunakan perangkat lunak CFD. Dengan memanfaatkan efekgroundcooling, kontainer ini dapat menurunkan temperatur udara yang akan disemprotkan ke dalam ruangan hingga 3,37420 C. Penurunan temperatur ini menunjukkan bahwa efek

groundcooling memiliki potensi untuk pengkondisian udara. Karena udara yang

ditarik masuk ke dalam kontainer berasal dari lingkungan dan ditarik hanya dengan menggunakan sebuah blower, maka siklus ini dapat menghemat pemakaian energi listrik.

Kata Kunci : Groundcooling, kontainer, CFD

ABSTRACT

One of the potency that can be obtained from the ground is the cold storage effect, or often called groundcooling. The utilization groundcooling effect can be done in many things, one of them is for air conditioning. In this minithesis, groundcooling are used as the conditioning media for a room with 68.31 m2 wide, by using a container with 0.65 m x 0,4 mx 0,5 m size. The utilization analysis for groundcooling effect is computed analytically and also numerically computation by using CFD software. By utilizing groundcooling effect, this container can make the air temperature which is squirted to the room decrease until 3.37420 C. This decreasing temperature showed that groundcooling effect has a potency for air conditioning. Because of the air which is pulled off into container to be descended from the environment, pulled off only by using a blower, so the circles can be economized electrical energy consumption.

(3)

KATA PENGANTAR

Syukur kehadapan Tuhan Yang Maha Bijaksana, untuk kasih dan berkat dari Nya yang membuat penulis dapat menyelesaikan Skripsi yang berjudul “KAJIAN APLIKASI PEMANFAATAN EFEK DINGIN TANAH (GROUND COOLING) UNTUK PENGKONDISIAN UDARA SEBUAH

RUANGAN DENGAN LUAS BANGUNAN 68,31 m2”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam proses penyelesaian skripsi ini, tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis. Namun atas berkat Yang Maha Baik, dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya skripsi ini dapat diselesaikan. Sebagai seorang manusia yang harus sadar diri, dengan segala kerendahan hati dan penuh ketulusan, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita ST., MT. selaku Dosen pembimbing skripsi, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan, kritik, dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr.Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

4. Kedua orang tua penulis, Drs. Bosahar Benedictus, SE dan Asni Marhaeniawaty Lumbantobing, SH yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa, dan kasih sayang yang tulus kepada penulis. 5. Amangboru dan Namboru, Sahat H. Silitonga, S.Si dan Suzanna A. Sinaga,

S.Pd yang telah memberikan dukungan penuh kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

(4)

7. Seluruh jajaran Pengurus Harian Ikatan Mahasiswa Mesin FT USU.

8. Adik-adik penulis, Rian Martino Damanik, Debora G. Sinaga dan Rachel Kezia Sinaga yang selalu memberi dukungan dalam mencapai cita-cita.

9. Rekan-rekan satu tim kerja, Marco Susanto, Satria Su, dan terkhusus Defriandry Dinata Siregar yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan kritik.

10.Seluruh rekan mahasiswa stambuk 2007 khususnya Rico Manurung, Juliarto H. Siahaan, dan yang tidak dapat penulis sebutkan namanya satu persatu, yang telah bersama-sama penulis melewati masa-masa indah menjadi mahasiswa Departemen Teknik Mesin FT USU. Solidarity Forever...

11.Segenap jajaran Pengurus Harian Ikatan Mahasiswa Mesin FT USU 2010/2011.

12.Rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, senior dan junior, yang tidak mungkin untuk disebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan berterima kasih dan dengan segala kerendahan hati menerima saran, usul, dan kritik yang sifatnya membangun, demi tercapainya tulisan yang bernilai edukatif dan bermanfaat.

Tak ada gading yang tak retak…

Akhir kata, penulis merindukan semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Dan apabila ada kekhilafan baik tutur maupun laku penulis, mohon maaf dari para pembaca yang budiman.

Terima kasih

Medan, Oktober 2011

(5)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR GRAFIK ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xi

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian... 4

1.3 Manfaat Penelitian... 6

1.4 Batasan Masalah ... 6

1.5 Sistematika Penulisan ... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Tinjauan Umum Penggunaan Groundcooling... 8

2.2 Pengkondisian Udara/Refrijerasi ... 10

2.2.1 Sejarah Pengkondisian Udara dan Perkembangannya ... 10

2.2.2 Pengertian Pengkondisian Udara ... 10

2.2.3 Aplikasi Pengkondisian Udara ... 11

2.2.4 Siklus-siklus yang Digunakan Pada Teknik Pengkondisian Udara………...12

2.3 Kenyamanan Udara Untuk Manusia ... 16

2.4 Psikometrik... 19

2.5 Teori Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 26

2.5.1 Penggunaan CFD ... 30

2.5.2 Metode Diskritisasi Pada CFD ... 31

2.5.3 Manfaat CFD ... 32

2.5.4 Proses Simulasi CFD ... 33

2.5.5 Langkah Penyelesaian Masalah Pada CFD ... 34

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 35

3.1 Waktu Dan Tempat ... 35

(6)

3.1.1 Alat ... 37

3.1.2 Bahan ... 37

3.3 Prosedur Penelitian ... 38

3.4 Variabel Riset ... 39

BAB IV ANALISA GROUNDCOOLING ... 40

4.1 Hasil Pengukuran ... 41

4.1.1 Hasil Pengukuran Dengan HOBO Micro Station Data Logger………...41

4.1.2 Hasil Pengukuran Temperatur Ruangan Beban ... 43

4.1.3 Hasil Pengukuran Temperatur Tanah ... 52

4.2 Analisa Potensi Penggunaan Groundcooling ... 55

4.3 Perhitungan Beban Pendingin pada Ruangan Beban ... 55

4.3.1 Gambar Ruangan Beban ... 56

4.3.2 Data-data Ruangan ...56

4.3.3 Analisa Beban Pendingin ...58

BAB V PROSES DAN ANALISA SIMULASI ... 72

5.1 Pendahuluan ... 72

5.2 Simulasi Aliran Udara yang Dialirkan Melalui Kontainer... 72

5.2.1 Pemodelan Domain Komputasi………..73

5.2.2 Diskritisasi………..74

5.2.3 Penetapan Kondisi Batas (Boundary Condition)………...75

5.2.4 Analisa Hasil Simulasi ... 76

5.3 Simulasi Aliran Udara yang Dialirkan Melalui Kontainer... 78

5.3.1 Pemodelan Domain Komputasi………. 78

5.3.2 Diskritisasi………..78

5.3.3 Penetapan Kondisi Batas (Boundary Condition)………...79

5.3.4 Analisa Hasil Simulasi ... 79

5.4 Simulasi Aliran Udara yang Dialirkan Melalui Kontainer... 81

5.4.1 Pemodelan Domain Komputasi………..81

5.4.2 Analisa Hasil Simulasi ... 82

5.4.3 Pemodelan Domain Komputasi………..82

(7)

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 84

6.1 Kesimpulan... 84

6.2 Saran ... 85

DAFTAR PUSTAKA ... 86

LAMPIRAN A ( Data Temperatur Udara Harian ) ... 88

LAMPIRAN B ( Data Temperatur Tanah ) ... 91

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Siklus Udara ... 15

Gambar 2.2 Prediksi Skema Siklus Pendingin Dengan Memanfaatkan Efek Dingin Tanah ... 16

Gambar 2.3 Perpindahan Panas Pada Tubuh Manusia ... 17

Gambar 2.4 Proses Konveksi Pada Tubuh Manusia ... 18

Gambar 2.5 Proses Radiasi Pada Tubuh Manusia ... 18

Gambar 2.6 Proses Evaporasi Pada Tubuh Manusia ... 19

Gambar 2.7 Perubahan Temperatur Menjadi Bola Basah ... 22

Gambar 2.8 Grafik Psikometrik ... 26

Gambar 2.9 Hukum Kekekalan Massa Pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 27

Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-X Pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 28

Gambar 2.11 Kerja Yang Dikenakan Pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-X ... 29

Gambar 2.12 Fluks Panas Yang Melintasi Sebuah Elemen ... 29

Gambar 2.13 Volume Kontrol 1 Dimensi ... 32

Gambar 2.14 Diagram Alir Penyelesaian Masalah Pada CFD ... 35

Gambar 3.1 HOBO Micro Station Data Logger ... 37

Gambar 3.2 AGILLENT Sistem Akuisisi Data... 38

Gambar 3.3 Diagram Alir Proses Penelitian ... 39

Gambar 4.1 Skema Pemasangan Sensor Termokopel Pada 16 Titik di Ruangan Beban ... 49

Gambar 4.2 Denah Ruangan Beban... 61

Gambar 5.1 Model Kontainer Yang Digunakan Dalam Tampilan 3D dan Tampilan Grid ... 78

Gambar 5.2 Proses Pendinginan Saat Udara Melewati Kontainer ... 79

Gambar 5.3 Kontur Temperatur Aliran Udara Pada Kontainer ... 81

Gambar 5.4 Kontur Kecepatan Aliran Udara Melewati Reservoir ... 82

(9)

Gambar 5.6 Kontur Temperatur Ruangan Beban Sebelum

Dipasangi Groundcooling pada menit ke-10 ... 80 Gambar 5.7 Kontur Temperatur Ruangan Beban Sebelum

Dipasangi Groundcooling pada menit ke-50 ... 80 Gambar 5.8 Kontur Temperatur Ruangan Beban Sebelum

Dipasangi Groundcooling pada menit ke-100 ... 81 Gambar 5.9 Model Ruangan Beban yang Akan Disimulasikan ... 81 Gambar 5.10 Kontur Temperatur Ruangan Beban Sesudah

Dipasangi Groundcooling pada menit ke-10 ... 82 Gambar 5.11 Kontur Temperatur Ruangan Beban Sesudah

Dipasangi Groundcooling pada menit ke-50 ... 83 Gambar 5.12 Kontur Temperatur Ruangan Beban Sesudah

(10)

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Intensitas Matahari Maksimum Harian kondisi Juni 2011 ... 40

Grafik 4.2 Temperatur Udara Maksimum Harian kondisi Juni 2011 ... 41

Grafik 4.3 Intensitas Matahari Maksimum Harian kondisi Juli 2011 ... 41

Grafik 4.4 Temperatur Udara Maksimum Harian kondisi Juli 2011 ... 42

Grafik 4.5 Intensitas Matahari Maksimum Harian kondisi Agustus 2011 ... 42

Grafik 4.6 Temperatur Udara Maksimum Harian kondisi Agustus 2011 ... 43

Grafik 4.7 Temperatur Titik 1 pada Ruangan Beban ... 44

Grafik 4.8 Temperatur Titik 2 pada Ruangan Beban ... 45

Grafik 4.9 Temperatur Titik 3 pada Ruangan Beban ... 45

Grafik 4.10 Temperatur Titik 4 pada Ruangan Beban ... 45

Grafik 4.11 Temperatur Titik 5 pada Ruangan Beban ... 46

Grafik 4.12 Temperatur Titik 6 pada Ruangan Beban ... 46

Grafik 4.13 Temperatur Titik 7 pada Ruangan Beban ... 46

Grafik 4.14 Temperatur Titik 8 pada Ruangan Beban ... 47

Grafik 4.15 Temperatur Titik 9 pada Ruangan Beban ... 47

Grafik 4.16 Temperatur Titik 10 pada Ruangan Beban ... 47

Grafik 4.17 Temperatur Titik 11 pada Ruangan Beban ... 48

Grafik 4.18 Temperatur Titik 12 pada Ruangan Beban ... 48

Grafik 4.19 Temperatur Titik 13 pada Ruangan Beban ... 48

Grafik 4.20 Temperatur Titik 14 pada Ruangan Beban ... 49

Grafik 4.21 Temperatur Titik 15 pada Ruangan Beban ... 49

Grafik 4.22 Temperatur Titik 16 pada Ruangan Beban ... 49

Grafik 4.23 Temperatur Udara Rata-rata pada Ruangan Beban ... 50

Grafik 4.24 Temperatur Tanah Kedalaman 1 m ... 52

Grafik 4.25 Temperatur Tanah Kedalaman 2 m ... 52

Grafik 4.26 Temperatur Tanah Kedalaman 3 m ... 53

Grafik 4.27 Temperatur Tanah Kedalaman 4 m ... 53

Grafik 4.28 Temperatur Tanah Kedalaman 5 m ... 53

(11)

Grafik 4.30 Temperatur Tanah Kedalaman 10 m ... 54 Grafik 5.1 Proses Penurunan Temperatur Udara yang Mengaliri Kontainer... 77 Grafik 5.2 Perbandingan antara temperatur udara dalam ruangan sebelum dan

(12)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

Qw Laju perpindahan panas kW

Satuan

�̇� Laju aliran massa kg/s

cpβ Kalor jenis udara kJ/(kg.K)

Uo Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/(m2K)

Ao Luas penampang selubung luar pipa m2

do Diameter luar pipa m

di Diameter dalam pipa m

hi Koefisien konveksi permukaan bagian dalam pipa W/(m2K)

ho Koefisien konveksi permukaan bagian luar pipa W/(m2K)

ka Konduktifitas termal udara W/(mK)

Pr Bilangan Prandtl -

Re Bilangan Reynold -

v Kecepatan rata-rata fluida m/s

g Percepatan gravitasi m/s2

μ Viskositas udara Pa.s

∆T Perbedaan temperatur oC

COP Coefficient of Performance -

Ts Temperatur permukaan pipa rata-rata oC

L Panjang pipa m

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Temperatur Netral Untuk Berbagai Etnis di Indonesia ... 9

Tabel 4.1 Temperatur Udara pada Ruangan Beban Tiap Jam ... 56

Tabel 4.2 Temperatur Tanah rata-rata untuk masing-masing Variasi Kedalaman ... 60

Tabel 4.3 Beban Pendinginan Dari Atap Ruang Beban ... 64

Tabel 4.4 Beban Pendinginan Dari Dinding A Ruang Beban ... 65

Tabel 4.5 Beban Pendinginan Dari Dinding B Ruang Beban ... 65

Tabel 4.6 Beban Pendinginan Dari Dinding C Ruang Beban ... 66

Tabel 4.7 Beban Pendinginan Dari Dinding D Ruang Beban ... 67

Tabel 4.8 Beban Pendinginan Dari jendela Non Fixed (operable)dinding A Ruang Beban……….67

Tabel 4.9 Beban Pendinginan Dari Jendela Non Fixed (operable)dinding C Ruang Beban………...68

Tabel4.10 Beban Pendinginan Dari jendela Fixed (non operable) type 1 pada dinding A………..69

Tabel4.11 Beban Pendinginan Dari jendela Fixed (non operable) type 2 pada dinding A……… ……… ………… ………..69

Tabel4.12 Beban Pendinginan Dari jendela Fixed (non operable)type 2 pada dinding C………...70

Tabel4.13 Beban Pendinginan Dari Pintu pada dinding B………....70

Tabel4.14 BebanPendingin Total Pada Bangunan………...………..72

Tabel4.15 Beban Pendinginan Akibat Ventilasi……...………....75

Tabel4.16 Beban Pendinginan Akibat Infiltrasi……… 75

Tabel4.17 Total Beban Pendingin Sensibel………...………... 75

(14)

ABSTRAK

groundcooling memiliki potensi untuk pengkondisian udara. Karena udara yang

ditarik masuk ke dalam kontainer berasal dari lingkungan dan ditarik hanya dengan menggunakan sebuah blower, maka siklus ini dapat menghemat pemakaian energi listrik.

Kata Kunci : Groundcooling, kontainer, CFD

ABSTRACT

(15)

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Kebutuhan manusia yang semakin kompleks seiring dengan perkembangan zaman dalam era globalisasi ini menuntut para engineer untuk selalu berinovasi, menghasilkan teknologi-teknologi mutakhir. Hal ini merupakan dampak dari tuntutan untuk mempermudah manusia dalam melaksanakan proses kehidupannya. Imbas yang muncul dari teknologi yang mutakhir ini tentunya ketersediaan sumber energi yang jumlahnya semakin besar, sesuai dengan kemudahan ataupun kenyamanan yang didapatkan dari teknologi yang mutakhir tersebut. Sampai disini, manusia menemukan kendala lain yang mutlak harus dipikirkan jalan keluarnya. Penggunaan energi fosil dewasa ini telah mengakibatkan efek pencemaran yang mana salah satu dampak yang sangat terlihat dan sering dibicarakan di hampir seluruh belahan bumi ialah global warming.

Pemanasan global (global warming) adalah kenaikan suhu rata-rata permukaan bumi yang diakibatkan oleh tingginya kandungan gas-gas rumah kaca hasil dari pembakaran sumber energi berbasis fosil dan pembabatan hutan. Sejak dimulainya revolusi industri, umat manusia telah sangat tergantung kepada penggunaan sumber energi yang berasal dari fosil, selanjutnya di tulisan ini akan diistilahkan dengan energi fosil. Energi fosil termasuk minyak bumi, gas alam, dan batubara.

Sebagai gambaran besarnya ketergantungan umat manusia terhadap energi fosil, Energy Information Administration (EIA), menyebutkan bahwa selama tahun 2007, konsumsi energi global bersumber dari minyak bumi sebesar 36%, batubara 27.4%, dan gas alam 23.0%. Total penggunaan energi fosil ini adalah 86.4% dan sisanya dipasok oleh sumber energi lain seperti nuklir,

hydropower, geothermal, angin, surya dan lain-lain. Menurut laporan statistik

penggunaan minyak dunia, yang dikeluarkan British Petroleum (BP), selama tahun 2008 konsumsi energi dunia adalah sebesar 474 exajoule (474 x 1018 joule). Jika komposisi 86.4% (laporan tahun 2007 oleh EIA) dianggap tidak

(16)

berubah jauh dengan 2008, maka konsumsi ini berasal dari energi fosil sebesar 409,5 EJ dan sisanya 64,5 EJ dari sumber energi lain seperti nuklir dan renewable energi. Pembakaran energi fosil ini setara dengan pelepasan 21,3 Gigaton karbon dioksida ke alam, tetapi alam dengan bantuan hutan hanya mampu menyerap setengah dari jumlah ini. Oleh karena itu akan ada penambahan karbon dioksida sekitar 10.6 Gigaton pertahun. Jika tidak ada langkah konkrit, ini akan meningkat terus di tahun-tahun mendatang seiring dengan meningkatnya kebutuhan energi dunia. Inilah salah satu yang akan menyebabkan pemanasan global, dan jika tidak diselesaikan bersama akan membahayakan kelangsungan hidup bumi sebagai planet yang bisa dihuni umat manusia dan mahluk hidup lainnya. Data di tersebut menunjukkan betapa umat manusia masih sangat bergantung kepada energi fosil dalam proses kehidupan dan perekonomiannya.

Kondisi Indonesia, tidak jauh berbeda dengan kondisi global saat ini. Sumber utama energinya masih disuplai oleh energi fosil. Sementara, efisiensi konversi dan penggunaan energi fosil masih rendah. Menurut laporan statistik yang dikeluarkan oleh BP, total konsumsi energi Indonesia selama tahun 2007 adalah sebesar 5,18 EJ. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) menyebutkan konsumsi energi ini berasal dari energi fosil sebesar 95%, hidropower 3,4%, panas bumi 1,4%, lainnya 0,2% (data tahun 2003). Komposisi ini dengan jelas menunjukkan ketergantungan yang sangat tinggi pada energi fosil. Perbedaan utama permasalahan enegi yang dihadapi pemerintah Indonesia adalah ketergantungan yang besar kepada minyak bumi. Pemerintah, pada saat ini fokus pada usaha untuk mengurangi ketergantungan ini. Efisiensi energi di Indonesia juga sangat buruk. Menurut data, nilai elastisitas energi yang diolah oleh ESDM dari BP, Indonesia berada pada angka 1,84, idealnya angka ini dibawah 1. Elastisitas energi adalah perbandingan antara pertumbuhan konsumsi energi dengan pertumbuhan ekonomi. Jika nilai elastisitas energi suatu negara semakin tinggi, berarti pemakaian energi semakin tidak efisien. Sebagai perbandingan elastisitas energi beberapa negara adalah sebagai berikut: Malaysia 1,69, Thailand 1,16, Singapura 0,73, Jepang 0,1. Kesimpulannya perlu usaha yang serius untuk mengurangi nilai elastisitas energi ini. Pemerintah Indonesia mempunyai

(17)

komitmen yang jelas untuk mengelola konsumsi energinya agar lebih bersahabat dengan lingkungan. Komitment ini dapat dilihat dari pidato Presiden Yudhoyono pada suatu pertemuan internasional tentang lingkungan di Nusa Dua Bali, pada Februari 2010. Bahwa Indonesia berkomitmen mengurangi emisi karbonnya sampai 26% pada tahun 2020. Sudah banyak kebijakan yang dibuat oleh pemerintah Indonesia yang tujuannya meningkatkan penggunaan sumber energi terbarukan dan menggunakan energi dari fosil dengan lebih efisien.

Adapun yang menjadi latar belakang pengajuan skripsi ini ialah salah satu titik penggunan energi yang cukup besar di Indonesia adalah penggunaan energi listrik untuk penggerak sistem pengkondisian udara atau AC. Melihat kondisi iklim serta akan terus meningkatnya taraf hidup masyarakat, diyakini penggunaan AC kedepannya akan semakin meningkat. Hal ini sangat berpotensi mengakibatkan pencemaran dikarenakan cairan referijeran yang dapat merusak lapisan ozon digunakan pada mesin-mesin pendingin yang menggunakan Siklus Kompresi Uap. Ditambah lagi dengan fakta bahwa pembangkit listrik di Indonesia didominasi oleh penggunaan bahan bakar fosil. Oleh karena itu tindakan penghematan energi pada penggunaan AC sangatlah penting untuk penghematan energi dan mengurangi emisi karbon.

Pada daerah tropis seperti Indonesia yang mempunyai temperatur dan kelembaban udara yang relatif tinggi, sistem pengkondisian udara didominasi dengan menurunkan temperatur dan kelembaban udara. Dalam skripsi ini, digunakan siklus yang menggunakan blower untuk mensirkulasikan udara dan memanfaatkan rendahnya temperatur tanah untuk efek pendinginan.

1.2Tujuan

Berdasarkan fakta dan fenomena yang didapat, maka saya mengajukan solusi mendinginkan udara ruangan dengan memanfaatkan efek dingin yang tersimpan di dalam tanah. Tujuan penelitian ini adalah antara lain:

1. Mendapatkan potensi siklus pendinginan dengan memanfaatkan efek dingin tanah (groundcooling).

(18)

2. Mensimulasikan kontainer yang merupakan komponen utama instalasi

groundcooling, untuk mengetahui performansi dan kapasitasnya dalam

memanfaatkan efek dingin tanah.

3. Mensimulasikan proses pendinginan suatu ruangan yang menggunakan instalasi groundcooling dan tanpa instalasi groundcooling untuk membuktikan potensi pemanfaatan efek groundcooling.

4. Memberi rekomendasi pemanfaatan efek dingin yang tersimpan didalam tanah untuk pendinginan ruangan.

1.3Manfaat

Hasil-hasil yang didapatkan dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat yang besar pada proses penghematan energi. Manfaat penelitian ini antara lain :

1. Mengurangi penggunaan energi listrik dalam bidang pengkondisian udara, yang pada akhirnya dapat mengurangi konsumsi bahan bakar minyak. 2. Memberi sumbangan yang berarti bagi perkembangan teknologi energi

terbarukan bagi Indonesia.

3. Ikut berpartisipasi dalam mengurangi efek pemanasan global dengan menggunakan sumber energi yang bersih dan ramah lingkungan.

4. Membantu masyarakat kalangan menengah kebawah memperoleh kenyamanan di dalam ruangan tanpa harus mengeluarkan biaya yang besar.

1.4Batasan Masalah

Masalah yang akan dibahas pada penelitian ini akan dibatasi, antara lain: (1) proses pendinginan hanya dilakukan oleh sifat dingin yang tersimpan di dalam tanah.

(2) Tidak melibatkan refrigeran (primer maupun sekunder) untuk mensirkulasikan efek dingin.

(3) energi listrik hanya digunakan untuk mensirkulasikan udara yang didinginkan.

(19)

1.5 Sistematika Penulisan

Hasil daripada penelitian groundcooling ini nantinya akan dibukukan dalam bentuk laporan skripsi dengan sitematika penulisan sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN

Berisi latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tentang teori-teori dasar pengkondisian udara, teknik pendingin, kenyamanan udara bagi manusia manusia, siklus-siklus pendingin yang biasa digunakan dalam pengkondisian udara, dan teori computational fluid dynamic

fluent (metode perhitungan dinamika fluida). Pada tinjauan pustaka saya juga

akan menampilkan review beberapa jurnal internasional yang berkaitan dengan

groundcooling.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Berisi mengenai metode penelitian yang dilakukan secara terurut, proses, analisis serta simulasi yang dilakukan untuk pengolahan data.

BAB IV DATA DAN ANALISA DATA

Berisi tentang data yang diperoleh dari proses, analisa, dan simulasi serta hasil analisa yang dilakukan, baik secara teoritis maupun numerik dengan menggunakan perangkat lunak CFD.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa yang dilakukan secara teoritis maupun simulasi dengan menggunakan perangkat lunak CFD yang merujuk pada rekomendasi sebuah desain siklus pendinginan yang memanfaatkan efek

dinginyang tersimpan di dalam tanah, serta saran untuk mencegah kekurangan pada desain optimasi

(20)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Umum Penggunaan Groundcooling

Pengkondisian udara dengan memanfaatkan efek dingin tanah atau lebih dikenal dengan istilah groundcooling, pada saaat ini sudah banyak diteliti dan diterapkan di beberapa negara. Namun cikal bakal dari prinsip kerja siklus pendinginan dengan memanfaatkan efek dingin tanah ini sudah ada sejak zaman prasejarah, yang tanpa disadari sudah diterapkan oleh manusia-manusia gua yang hidup pada zaman itu.

Telah banyak riset yang dilakukan untuk mengembangkan ide ini di berbagai belahan dunia. Temperatur tanah yang cenderung konstan sepanjang tahun memiliki potensi yang besar untuk menjadi media pengkondisian udara, baik sebagai pendingin pada musim panas maupun penghangat pada musim dingin. Metode yang digunakan pun semakin bervariasi guna memperoleh efisiensi dan COP terbaik, seperti earth-air heat exchanger (EAHE), ground air

collector, dan metode lainnya.

Mengutip dari beberapa jurnal internasional, antara lain seperti yang dilakukan oleh M. K. Ghosal, dkk [2004] yang menguji efektifitas dari ground

cooling EAHE yang diterapkan pada sebuah greenhouse, New Delhi, India.

Diperoleh bahwa dengan sistem ini dapat menaikkan temperatur udara 6-70C lebih tinggi dari temperatur udara luar selama musim dingin dan menurunkan udara greenhouse 3-40 C lebih rendah dari temperatur udara luar selama musim panas.

F. Al Ajmi, dkk [2005] mengetahui bahwa groundcooling dapat menurunkan temperatur udara ruangan sebesar 2,80 C selama pertengahan juli (musim panas). Penelitian yang dilakukan berlokasi di Kuwait selama 5 bulan dan mengklaim dapat menghemat daya pemakaian beban pendingin sebuah rumah moderat sebesar 30% atau sekitar 1700 W.

Mustafa Inalli, dkk [2004] melakukan pengujian di Turki selama Juni hingga September pada tahun 2003 dan memperoleh COP sebesar 2,01 untuk sistem EAHE yang ditanam di tanah dengan kedalaman 2 m. Pengujian ini dilakukan dengan sebuah ruangan uji berkapasitas beban pendingin 3,1 kW.

(21)

Senada dengan M. K. Ghosal, dkk [2004], G. N. Tiwari, dkk [2006] New Delhi, India mengklaim bahwa groud cooling EAHE dapat menyimpan potensi energi penghangatan di kota New Delhi rata-rata 11,55 MJ dan energi pendinginan rata-rata 18,87 MJ pada Januari hingga Juni.

Selain itu, di negara tetangga kita Malaysia, G. Reinmann, dkk [2007] telah melakukan riset dan mendapatkan kesimpulan bahwa groundcooling teknologi cooltek pada rumah, hampir secara kontinu dapat mengalirkan udara bertemperatur 27,20 C ke dalam rumah. Temperatur yang diperoleh ini cukup nyaman bagi orang-orang yang hidup di daerah khatulistiwa dengan iklim tropis yang panas.

Temperatur yang nyaman bagi manusia itu sendiri cukup relatif, seperti riset yang diadakan oleh Tri Harso Karyono [2000] di Indonesia diketahui bahwa suku bangsa yang ada di Indonesia memiliki perbedaan pada tingkat temperatur yang dirasa nyaman untuk seseorang. Hal tersebut dapat dilihat pada tabel berikut inidapat dilihat pada tabel berikut ini :

Tabel 2.1 Temperatur Netral Untuk Berbagai Etnis di Indonesia (Tri Harso Karyono, 2000)

Neutral Temperatur

Ethnic Group Ta (0C) To (0C) Teq (0C)

1 Aceh (n=6) 24,3 24,3 23,4

2 Tapanuli (n=23) 25,9 26,2 24,6

3 Minang (n= 27) 26,9 27,4 25,7

4 Other Sumatera (n=16) 26,6 27,0 25,7

5 Betawi (n=23) 27,0 27,3 25,9

6 Sundanse (n=86) 26,4 26,6 25,0

7 Javanese (n=232) 26,4 26,7 25,2

8 Other Indonesian (n=62) 26,9 27,4 26,2

Walaupun angkanya cukup bervariasi namun dapat dilihat bahwa temperatur operasi yang nyaman bagi orang Indonesia berkisar dari 24-280 C. Apabila kita dapat memanfaatkan efek groundcooling ini sebagai salah satu media pengkondisian udara, khususnya pendingin ruangan, tentu akan sangat

(22)

menguntungkan. Karena, selain teknologi ini ramah lingkungan sehingga ikut mengatasi efek pemanasan global yang menjadi momok saat ini, juga dapat menghemat energi dan bersifat ekonomis dari segi keuangan. Namun pada skripsi ini, teknologi groundcooling tersebut tidak akan langsung diteruskan pada proses fabrikasi. Hal ini disebabkan karakteristik tanah yang ada di daerah Medan memiliki perbedaan dengan karakteristik tanah yang menjadi objek pada jurnal-jurnal tersebut.

2.2 Pengkondisian Udara/Refrijerasi

2.2.1 Sejarah Pengkondisian Udara dan Perkembangannya

Sekitar abad ke-15, seorang ilmuan berkebangsaan Italia Leonardo de Vinci, merancang sistem ventilasi udara pada sejumlah ruangan untuk para istri sahabatnya. Pada saat itu, sistem ventilasi tersebut menggunakan kipas yang digerakkan oleh tenaga air. Hal ini mungkin merupakan cikal bakal teknik pendinginan/pengkondisian udara pada suatu ruangan tertutup secara otomatis. Perkembangan selanjutnya lainnya, tercatat terjadi di India. Rancangan sistem pengkondisian udara tersebut diberi nama “punka”. Punka merupakan kipas raksasa yang dipasang di langit-langit suatu ruangan yang digerakkan dengan tarikan tali secara manual. Setelah itu, rancangan punka mulai berkembang dengan berbagai macam inovasi dan model. Hingga pada era globalisasi dan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang sangat pesat, tentunya sudah banyak ditemukan sistem pendinginan berteknologi tinggi yang memang sangat diperlukan untuk membantu manusia.

2.2.2 Pengertian Pengkondisian Udara

Pada kenyataannya memang konsep dasar tentang pengkondisian udara mungkin tidak dimengerti bahkan tidak terpikirkan oleh berjuta-juta orang yang menikmati hasil berupa kenyamanan yang dihasilkan oleh teknik pengkondisian udara. Namun, hal itu dapat dimaklumi dan diterima sebagai bagian dari kehidupan orang-orang yang bukan memilih engineer menjadi profesinya. Pada hakikatnya, pengkondisian udara bukan hanya berfungsi untuk mendinginkan, tetapi lebih dari itu teknik pengkondisian udara juga menuntut udara yang dihasilkan tidak hanya dingin tetapi juga nyaman. Pengkondisian udara nyaman

(23)

(comfortable air conditioning) adalah proses perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya dengan teratur hingga mencapai kondisi nyaman, penghuni yang berada di dalam ruangan.

Pengkondisian udara ini memungkinkan kita untuk merubah kondisi udara di dalam ruangan tertutup. Karena manusia zaman modern menghabiskan sebagian waktunya di dalam ruangan tertutup, maka pengkondisian udara menjadi suatu hal yang penting dan dapat menghasilkan sesuatu yang menguntungkan bagi manusia itu sendiri, dibandingkan dengan kondisi udara di luar ruangan.

2.2.3 Aplikasi Pengkondisian Udara

Beberapa fakta menunjukkan bahwa penemuan teknik dasar pendinginan/ pengkondisian udara yang inovatif merupakan momen-momen penting pada kurun waktu abad ke-15 hingga 20. Manusia mampu bekerja lebih giat, berekreasi lebih lama, serta dapat melakukan aktifitas dengan nyaman di dalam ruangan dengan adanya pengkondisian udara. Beberapa contoh berikut merupakan aplikasi pengkondisian udara yang digunakan hingga saat ini :

 Di pusat-pusat pangkalan militer, proses pengoperasian peluru kendali dapat dilaksanakan secara kontinu karena dengan mempertahankan proses pada temperatur yang sesuai. Tanpa adanya pengkondisian udara, sensor mekanik di pusat pangkalan militer akan mengalami gangguan pada suatu waktu tertentu karena temperatur yang semakin tinggi.

 Kapal selam bertenaga atom dapat tetap dapat beroperasi pada kedalaman yang tinggi berkat pengkondisian udara.

 Obat-obat modern, contohnya vaksin Salk dapat disimpan pada kondisi atmosfer yang akurat.

 Eksplorasi manusia di luar angkasa akan menjadi lebih aman dengan adanya pengkondisian udara.

 Industri percetakan membutuhkan pengkondisian udara untuk mengatur kelembaban ruangannya. Dalam proses pengolahannya, kertas dilewatkan melalui beberapa mesin yang berbeda, sehingga dibutuhkan kondisi udara dengan temperatur tertentu agar kondisi kertasnya dapat terjaga dan terhindar dari penggulungan kertas atau tinta yang tidak mengering.

(24)

 Pengkondisian udara di rumah tinggal, pusat-pusat perbelanjaan, perkantoran, bahkan kendaraan pada umumnya juga sudah menggunakan pengkondisian udara untuk menciptakan suasana nyaman di dalamnya.  Pengkondisian udara pada ruang penyimpanan (storage box) untuk

menjaga buah, sayur, daging, susu, dan produk-produk lainny dapat terjaga kualitasnya sebelum didistribusikan ke konsumen.

Penekanan yang sangat penting disini menunjukkan bahwa setiap produk yang dihasilkan, penemuan proses baru, eksplorasi ke ruang angkasa, sudah pasti sangat memerlukan pengkondisian udara.

2.2.4 Siklus-siklus yang Digunakan Pada Teknik Pengkondisian Udara

Pada sub bab sebelumnya telah dipaparkan bagaimana tubuh manusia dapat mempertahankan suhunya saat temperatur udara, kandungan uap air relatif dan laju udara mengalami perubahan. Karena fakta menunjukka bahwa dalam setahun, relatif hanya beberapa hari saja kondisi ideal terjadi (ke-3 faktor di atas terpenuhi). Oleh karena itu manusia harus berusaha untuk mengaturnya agar dicapai kondisi nyaman secara merata. Hal tersebut dapat diperoleh dengan ketentuan :

o Jika kondisi panas tak nyaman terjadi, sedikit pakaian yang dipakai o Jika kondisi dingin tak nyaman terjadi, lebih banyak pakaian yang

dipakai

Pengalaman menunjukkan bahwa jika hal itu terjadi pada saat berbeda, kebanyakan orang tidak puas. Walaupun para ilmuan dan juga praktisi belum mendapatkan cara praktis untuk mempertahankan kondisi nyaman di luar ruangan, namun hasil baiknya mereka telah berhasil

memecahkan problema untuk pengkondisian di dalam ruangan. Bagaimana hal itu dapat dilakukan, bagaimana udara di dalam ruangan dapat

dikondisikan dan bagaimana udara itu dapat didistribusikan ke dalam ruangan pada saat dibutuhkan, itulah yang dilakukan oleh manusia saat ini.

(25)

Refrigerasi merupakan suatu proses penarikan kalor dari suatu benda/ruangan ke lingkungan sehingga temperatur benda/ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya. Sesuai dengan konsep

kekekalan energi, panas tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat

dipindahkan.Sehingga refrigerasi selalu berhubungan dengan proses-proses aliran panas dan perpindahan panas.

Pada dasarnya sistem refrigerasi dapat dibagi menjadi dua, yaitu: 1. Sistem Refrigerasi Mekanis

Sistem refrigerasi ini menggunakan mesin-mesin penggerak atau dan alat mekanik lain dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi mekanik di antaranya adalah:

a. Siklus Kompresi Uap (SKU) b. Refrigerasi siklus udara

c. Kriogenik/refrigerasi temperatur ultra rendah d. Siklus sterling

2. Sistem Refrigerasi Non Mekanis

Berbeda dengan sistem refrigerasi mekanik, sistem ini tidak memerlukan mesin-mesin penggerak seperti kompresor dalam menjalankan siklusnya. Yang termasuk dalam sistem refrigerasi non mekanik di antaranya:

a. Refrigerasi termoelektrik b. Refrigerasi siklus absorbsi c. Refrigerasi steam jet d. Refrigerasi magnetik 2.2.4.2Siklus Udara

Siklus udara ini sedikit berbeda dengan siklus-siklus refrigerasi pada umumnya karena aliran udara yang digunakan dapat terbuka. Udara di dalam ruangan dapat menjadi terlalu dingin, terlalu panas, terlalu lembab (basah), terlalu kering, terlalu deras alirannya dan terlalu lambat alirannya. Kondisi itu dapat dirubah dengan suatu pengkondisian/perlakuan. Udara dingin dipanaskan, udara panas didinginkan, uap air ditambahkan ke udara kering, uap air diambil dari

(26)

udara lembab dan kipas digunakan untuk membuat laju udara yang memadai. Setiap pengkondisian/perlakuan udara itu dilakukan pada pengkondisian udara menurut keperluannya.

Sebuah kipas, seperti ditunjukan pada gambar, memaksa udara masuk ke dalam saluran yang dihubungkan dengan sebuah ruangan. Ujung saluran (duck) yang langsung berhubungan dengan ruangan disebut terminal atau lubang saluran. Saluran itu membawa udara langsung masuk ke ruangan melewati terminal. Udara masuk ke dalam ruangan, baik udara panas maupun udara dingin diperlukan di sini. Partikel debu dari dalam ruangan akan bergabung dengan aliran udara masuk dan akan terbawa mengalir terus.

Udara kemudian mengalir dari ruangan melalui lubang saluran kedua (bisa disebut lubang saluran balik/return outlet), di sini partikel debu dibuang melalui saluran. Setelah udara dibersihkan, udara itu akan dipanaskan atau didinginkan bergantung dari kondisi udara dalam ruangan. Jika diperlukan udara dingin berarti udara dilewatkan ke permukaan sebuah koil pendingin, jika diperlukan udara hangat maka udara itu dilewatkan ke sebuah permukaan koil pemanas. Akhirnya udara itu mengalir balik ke kipas dan siklus aliran udara jadi sempurna adanya. Gambar siklus udara dapat kita lihat pada gambar 2.6 berikut ini :

(27)

2.2.4.3Siklus Udara Terbuka Dengan Memanfaatkan Efek Dingin Tanah

Siklus udara terbuka sedikit berbeda dengan siklus udara yang dijelaskan sebelumnya di mana tidak diperlukan terminal balik (return duct/return outlet). Udara yang disuplai akan keluar lewat jendela, kusen, pintu dan ventilasi secara alami sehingga udara yang mengandung banyak oksigen baru akan terus mengalir dan berganti. Sirkulasi udara kaya dan miskin oksigen ini akan berlangsung secara terus menerus selama siklus terbuka ini berlangsung. Siklus terbuka ini diyakini lebih baik dari segi kesehatan daripada siklus tertutup di mana udara yang disirkulasikan adalah udara yang sama.

Selain itu koil pendingin yang biasa digunakan pada siklus udara biasa diganti dengan sebuah reservoir bersirip di dalam tanah. Efek dingin yang diperoleh di bawah permukaan tanah ini didapatkan secara gratis dan relatif konstan sehingga lebih unggul secara ekonomis. Selain itu efek pendinginan bawah tanah ini tidak menggunakan refrigeran sehingga juga lebih unggul dalam hal melestarikan lingkungan.

Adapun prediksi skema dari siklus pendingin dengan memanfaatkan efek dingin tanah yang akan direncanakan dapt dilihat pada gambar 2.7 berikut ini

Gambar 2.2 Prediksi Skema Siklus Pendingin dengan Memanfaatkan Efek Dingin Tanah

(28)

2.3 Kenyamanan Udara Untuk Manusia

Fakta mengatakan bahwa temperatur normal tubuh manusia ialah 98,6oF (37oC). Pada kondisi-kondisi tertentu, temperatur ini disebut temperatur bawah permukaan (subsurface) atau temperatur jaringan dalam (deep tissue),

berlawanan dengan temperatur kulit atau permukaan kulit. Pentingnya

pemahaman tentang bagaimana tubuh manusia mempertahankan temperatur ini nantinya akan sangat membantu kita untuk mengerti bagaimana proses

pengkondisian udara yang nyama itu sendiri agar membantu badan tetap merasa nyaman.

Pengeluaran panas badan secara konstan berlangsung melalui tiga proses alamiah yang biasanya terjadi secara simultan. Ketiga proses itu adalah :

konveksi, konduksi dan evaporasi. Proses tersebut dapat kita lihat pada gambar 2.3 di bawah ini :

Gambar 2.3 Perpindahan Panas pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992)

a. Konveksi

Proses perpindahan panas secara konveksi didasari atas dua fenomena:

1. Panas mengalir dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Sebagai contoh, panas mengalir dari badan ke udara sekelilingnya yang bertemperatur lebih rendah dari temperatur kulit badan.

(29)

2. Panas akan membumbung naik. Hal ini dapat dilihat dari asap yang berasal dari rokok yang menyala.

Bila dua fenomena ini diterapkan pada proses pengeluaran panas tubuh manusia, akan memungkinkan hal berikut terjadi :

 Badan menyerahkan panasnya ke udara dingin di sekeliling badan.  Udara disekeliling menjadi hangat adan akan bergerak ke atas.

 Ketika udara hangat bergerak ke atas, tempatnya digantikan udara dingin, maka terjadilah aliran konveksi. Proses konveksi pada tubuh manusia dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut ini :

Gambar 2.4 Proses Konveksi pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992)

b. Radiasi

Radiasi merupakan proses di mana panas berpindah dari sumbernya ke benda lain dengan cara penyinaran. Prinsip ini didasari fenomena bahwa panas berpindah dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Radiasi terjadi tidak bergantung seperti konveksi, dan tidak memerlukan udara yang bergerak untuk melengkapi terjadinya perpindahan panas dan tidak dipengerahui oleh temperatur udara walau dipengaruhi oleh temperatur sekeliling. Tubuh akan segera merasakan efek sinar radiasi matahari bila bergerak dari tempat teduh ke tempat panas. Tubuh juga akan segera merasa panas bila berdekatan dengan api, karena bagian tubuh yang terdekat dengan api akan jadi lebih hangat sedangkan

(30)

bagian tubuh lainnya tetap dingin. Proses radiasi pada tubuh manusia dapat dilihat pada gambar 2.5 di bawah ini:

Gambar 2.5 Proses Radiasi pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992)

c. Evaporasi

Evaporasi adalah proses di mana tetes air menjadi uap air. Ketika tetes air dari permukaan yang panas menguap, ia mengambil panas dan karenanya permukaan itu jadi dingin. Proses ini berlangsung konstan pada permukaan tubuh kita. Tetes air keluar melalui pori-pori tubuh di permukaan kulit, ketika tetes air menguap, panas diambilnya. Keringat yang nampak sebagai tetesan air di tubuh menunjukkan bahwa tubuh itu sedang menghasilkan panas yang lebih banyak dibanding jumlah panas yang dapat dikeluarkan secara konveksi, radiasi dan evaporasi secara normal. Proses evaporasi pada tubuh manusia dapat dilihat pada gambar 2.6 di berikut ini :

Gambar 2.6 Proses Evaporasi pada Tubuh Manusia (Stoecker, W. F dan J. W. Jones, 1992)

(31)

2.4 Psikometrik

Psikometrik adalah salah satu sub-bidang engineering yang khusus mempelajari sifat-sifat thermofisik campuran udara dan uap air. Dalam hal ini, campuran udara dan uap air untuk selanjutnya akan disebut “udara”. Pada psikometrik, udara “hanya” dibedakan atas udara kering dan uap air.

Meskipun udara kering masih dapat dibedakan lagi menjadi komponen gas yang terdiri dari nitrogen, oksigen, karbon dioksida, dan yang lainnya, tetapi pada psikometrik semuanya diperlakukan sebagai satu unit sebagai udara kering. Demikian juga, jika di dalam udara yang sedang dibahas terdapat kandungan gas lain atau kontaminan, pada analisis psikometrik, efek kandungan ini terhadap sifat-sifat termodinamik dapat diabaikan. Tujuan utama mempelajari psikometrik ialah, dengan mengetahui sifat-sifat termodinamik udara kita dapat menghitung besarnya energi yang diperlukan untuk mengkondisikan udara (air conditioning).

Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan sifat-sifat termodinamik udara, yaitu dengan menggunakan persamaan-persamaan dan dengan menggunakan grafik yang menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara, yang biasa disebut Psychrometric chart. Dengan menggunakan grafik ini, proses-proses seperti pendinginan udara, dehumidification, dan perlakuan udara pengering dapat dijelaskan dengan lebih mudah. Parameter-parameter dan istilah yang digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat termodinamik udara antara lain:

humidty ratio, relative humidity, dry-bulb dan wet-bulb temperature, dew-point temperature, sensibel and latent heat, density, moist volume, dan entalpi.

Parameter untuk perhitungan sifat sifat termodinamik udara antara lain a. humidity ratio (rasio humiditas)

Karena udara adalah gabungan udara kering dan uap air yang terkandung pada udara, maka humidity ratio adalah perbandingan massa uap air (mw) dan massa

(32)

�

=

��

�� (1)

Satuan dari parameter ini adalah kg uap air/kg udara atau gram uap air/kg udara. Dengan menggunakan persamaan gas ideal dan hukum Dalton, yang merumuskan hubungan antara kandungan gas dengan tekanan parsial gas, maka rasio humiditas dapat juga dinyatakan dengan:

�

=

�

,

��

��−�� (2)

Dimana �_�adalah tekanan parsial uap air dan �_��adalah tekanan atmosfer. Persamaan (2) menunjukkan bahwa hanya dengan mengetahui tekanan parsial uap air pada temperatur tertentu, kita dapat menentukan kandungan uap air pada udara.

b. relative humidity (RH)

Relative Humadity merupakan perbandingan fraksi mol uap air pada udara dengan

fraksi mol uap air saat jika udara tersbut mengalami saturasi. Berdasarkan defenisi ini, persamaan yang digunakan untuk menghitung RH adalah:

��

=

��

��,_{��}

(3)

Sebagai catatatan, pada saat saturasi fraksi mol uap air yang terkandung di dalam udara adalah fraksi mol maksimum. Setelah itu uap air akan mulai mengembun, atau berubah fasa menjadi cair. Berdasarkan fakta ini, pada saat terjadi saturasi, nilai relative humidity adalah 100%. Jadi harus diingat saat terjadi saturasi RH = 100%.

Dengan menguraikan defenisi fraksi mol dan persaman gas ideal, RH dapat juga didefenisikan sebagai:

��

=

��

�� (4)

(33)

temperatur. Persamaan yang diusulkan ASHRAE dapat digunakan untuk menghitung Pws (Pa) :

��( �_��) = ��

� + ��+ ��+ ��+ ��+�� (5)

Dimana � adalah temperatur mutlak dalam K. Konstanta C1 sampai dengan C6

adalah sebagai berikut : C1 = -5,8002206 x 103

C2 = 1,39114993

C3 = -4,8640239 x 10-2

C4 = 4,1764768 x 10-5

C5 = -1,4452093 x 10-8

C6 = 6,5459673

c. Temperatur bola kering dan temperatur bola basah (Dry bulb and wet

bulb temperature)

Temperatur bola kering (dry bulb temperture) adalah temperatur udara yang ditunjukkan oleh alat ukur atau termometer. Dengan kata lain, jika saat ini anda memegang termometer diminta mengukur berapa temperatur udara, maka yang ditunjuk oleh alat ukur itulah temperatur bola kering. Penyebutan “bola kering” ini hanyalah untuk keperluan analisis pada psikometrik, pada prakteknya dalam kehidupan sehari-hari istilah “bola kering” hampir tidak pernah disebutkan. Tempertur bola basah, T, (wet bulb temperatur) adalah suatu parameter yang sulit untuk didefenisikan. Parameter ini adalah parameter fiktif yang digunakan untuk mendefinisikan sifat udara. Untuk mendefinisian Twb akan digunakan illustrasi

berikut:

Misalkan pada suatu ruangan yang tertutup rapat atau adiabatik, terdapat air dan udara yang mempunyai temperatur bola kering Tdb. Setelah beberapa lama, air

(34)

akan menguap sebagian dan bercampur dengan udara, udara mengalami humidifikasi, dan terjadilah kondisi setimbang atau jenuh.

Karena ruangan tersebut bersifat adiabatik, sementara proses penguapan air dari cair menjadi fasa uap pasti menyerap energi berupa panas, maka panas ini pasti berasal dari udara di ruang tersebut.

Gambar 2.7 Perubahan temperatur menjadi temperatur bola basah (Himsar Ambarita, 2010)

Oleh karena itu, temperatur awal udara akan turun akibat naiknya kandungan uap airnya. Temperatur inilah yang didefenisikan menjadi temperatur bola basah. Berdasarkan kesetimbangan energi, Twb dapat dihitung dengan persamaan:

�

��

=

�

��

−

(�′−�_�)�_��

��

(5)

ℎ��adalah panas penguapan air pada temperatur bola basah, nilainya dapat dilihat pada Tabel 1 di lampiran. Sementara �_��adalah panas jenis udara. Sebagai catatan, semua parameter yang ada di sebelah kanan masih merupakan fungsi dari Twb. Oleh karena itu, persamaan ini terlihat sangat

udara

Tdb

air

udara

Twb

W’

air awal

(35)

sederhana, tetapi sangat sulit diselesaikan. Penyelesaian persamaan ini adalah dengan try and error atau dengan menggunakan metode numerik.

d. Panas jenis udara pada tekanan constan (Cp)

Panas jenis udara atau gas ada dua, yaitu : panas jenis pada volume konstan dan panas jenis pada tekanan konstan. Pada psikometrik, hanya panas jenis pada tekanan konstan yang digunakan. Panas jenis udara pada tekanan konstan adalah penjumlahan panas jenis udara kering dan panas jenis uap air yang dikandung udara tersebut.

�

=

�

��

+

�

��

(6) Dimana �_�� adalah panas jenis udara kering dan �_�� adalah panas jenis uap air.

e. Volume spesifik udara, moist volume (v), dan rapat massa (density)

v adalah volume udara yang mempunyai massa tepat 1 kg, atau dapat

dirumuskan �=� � (�3 ��)

� . Dengan mengingat defenisi bahwa udara adalah campuran udara kering dengan uap air, dan dengan menggunakan persamaan gas ideal, maka v dapat dirumuskan menjadi:

�

=

�� (�+�,��

�

=

��,��(�+�,��_�

�

(7)

Dimana T adalah suhu udara dalam K dan p tekanan dalam Pa. Sementara density adalah kebalikan dari v.

�

=

�

=

�

(36)

f. Temperatur Dew-point (Dew-point temperature)

Temperatur Dew-point adalah temperatur udara saat terjadi kondensasi. Misalkan udara yang mempunyai temperatur awal T dan rasio kelembaban w diturunkan suhunya secara perlahan-lahan. Temperatur udara pada saat mulai terbentuk embun, disebut temperatur dew point. Hubungan antara temperatur udara dan temperatur dew-point dirumuskan sebagai berikut:

�

=

_{��−}��₍_{�+��} ( �+��₎_�� )₍_��₎

−

��

(9)

Dengan catatan semua temperatur dalam satuan Celcius.

g. Entalpi udara

Entalpi udara adalah kandungan energi total yang dimiliki oleh udara. Di dalam termodinamika, entalpi suatu materi harus dihitung dengan menggunakan nilai acuan (referensi). Dengan menggunakan acuan saat udara pada 0C, entalpi udara dalam (kJ/kg) dihitung dengan persamaan:

�� = �,��+�(��+�,��) (10)

Dimana T adalah temperatur dalam 0C.

Sebagai catatan, bagian pertama dari persamaan (10) adalah entalpi dari udara kering dan bagian kedua adalah entalpi uap air yang dikandung udara saat itu.

h. Panas sensible

Panas sensibel adalah energi yang diberikan atau diterima suatu materi yang membuat temperaturnya berubah. Sementara panas laten adalah panas yang diberikan atau diterima suatu materi yang membuat fasanya berubah. Contoh, jika kita memanaskan air pada tekanan atmosfer mulai dari 0 sampai 1000C, maka

(37)

panas yang diterima air itu adalah panas sensibel. Jika setelah 1000C, air tersebut masih kita panasi, maka suhunya tetap 1000C (tidak naik), tetapi fasanya akan berubah menjadi uap. Panasyang diterima air saat itu disebut panas laten. Untuk materi yang homogenproses pelepasan atau penerimaan panas sensibel dan panas laten dapatdibedakan dengan jelas. Panas sensibel saat suhunya berubah dan fasanyatetap, tetapi panas laten saat fasanya berubah dan suhunya tetap. Pada udara, bagian udara kering hanya akan memiliki panas sensibel,karena tidak akan terjadi perubahan fasa.

Bagian uap air akan memilikipanas sensibel untuk mengubah temperaturnya dan sekaligus panas laten karena perubahan fasa. Persamaan entalpi pada

persamaan (10) dapat diubah bentuknya menjadi :

��= (�,��+ �,��)�+ �� (11)

Dua bagian pertama pada persamaan ini adalah panas sensibel dan bagian terakhir adalah panas laten.

i. Grafik Psikometrik (pshycometric chart)

Ada tujuh sifat/atau kelompok sifat termodinamik atau termofisik udara yang ditampilkan pada grafik psikometrik, yaitu:

(1) entalpi (2) RH (3) Twb

(4) tekanan atmosfer

(5) tekanan dan temperaratur saturasi (6) density dan volume spesifik

(38)

(7) humiditity ratio, pw , dan Td

Sebagai catatan garis entalpi dan garis Tw pada grafik psikometri mempunyai

kemiringan yang hampir sama dan sulit dibedakan. Oleh karena itu, kedua garis ini akan kelihatan berimpit. Kelompok sifat tersebut dapat kita lihat pada grafik psikometrik berikut ini :

Gambar 2.8 Grafik Psikometrik (Himsar Ambarita, 2010) 2.5 Teori Computational Fluid Dynamics (CFD)

Aliran fluida adalah suatu hal yang menarik untuk diteliti, diselidiki, dan dianalisis. Oleh karena itu, diperlukan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamic (CFD), dalam bahasa Indonesia disebut Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

(39)

Pemodelan dengan metode komputasi pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika fluida, momentum, dan energi. Persamaan-persamaan ini merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar Fisika :

1. Hukum Kekekalan Massa (The conservation of mass)

2. Hukum Kekekalan Momentum (The Conservation of Momentum) sebagai interpretasi dari hukum kedua Newton (Newton’s Second Law of Motion) 3. Hukum Kekekalan Energi (The Conservation of Energy)

1. Hukum Kekekalan Massa

Konsep dasarnya ialah laju kenaikan massa dalam volume kontrol sama dengan laju net aliran massa fluida ke dalam elemen batas.

Dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut ini :

(12)

Hukum Kekealan Massa 3 dimensi dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut ini :

(13)

Hukum Kekekalan Massa pada sebuah elemen fluida 3 dimensi dapat kita lihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.9 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi (Himsar Ambarita, 2010)

(40)

2. Hukum Kekekalan Momentum

Hukum kekekalan momentum merupakan interpretasi dari hukum ke-2 Newton (arah sumbu-x) yaitu :

(14)

Gambar 2.10 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi (Himsar Ambarita, 2010)

Secara umum Hukum Kekekalan Momentum arah sumbu-x 3 dimensi dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut :

(15)

Dengan cara dan bentuk yang sama persamaan kekekalan momentum 3 dimensi arah sumbu-y dan arah sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut :

(41)

(17)

3. Hukum Kekekalan Energi

Hukum ini merupakan aplikasi dari hukum ketiga termodinamika, yaitu laju perubahan energi dalam suatu elemen adalah sama dengan jumlah net fluks panas yang masuk ke dalam elemen dan kerja yang dikenakan pada elemen tersebut. Pernyataan ini dapat ditulis dalam bentuk persamaan :

(18)

Gambar 2.11 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x (Himsar Ambarita)

(42)

Gambar 2.12 Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen (Himsar Ambarita, 2010)

Secara umum kerja yang dikenakan arah sumbu-x, sumbu-y dan sumbu-z dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut ini :

(19.i)

(19.ii)

(43)

Fluks Panas yang melintasi permukaan sebuah elemen dapat ditulis dalam bentuk persamaan :

(20)

Dengan mensubstitusi persamaan (19) dan (20) ke dalam persamaan (18), akan diperoleh sebuah persamaan (21) untuk hukum kekekalan energi di mana i, j, k=1,2,3 yang menunjukkan arah sumbu -x, -y, dan –z.

(21)

Di mana Φ adalah fungsi dissipasi dengan bentuk sebagai berikut :

(22)

2.5.1 Penggunaan CFD

CFD dalam aplikasinya dipergunakan antara lain bagi :

1. Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. 2. Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamikanya.

3. Analis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan mereka.

4. Engineer petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

5. Ahli biomekanik untuk mencari rahasia dari gerakan burung sampai dengan ikan lumba-lumba.

6. Pelatih atau analis sport, misalnya untuk mencari rahasia tendangan melengkung pada sepakbola.

(44)

7. Dokter atau ahli bedah untuk mengobati penyakit arterial (computational

hemodynamics).

8. Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam.

9. Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya.

10. Analisis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.

11. Ahli safety untuk mengurangi resiko kesehatan akibat radiasi dan zat berbahaya lainnya.

2.5.2 Metode Diskritisasi Pada CFD

Pada dasarnya, FLUENT hanya menghitung pada titik-titik simpul mesh geometri, sehingga pada bagian di antara titik simpul tersebut harus dilakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai kontinyu pada sluruh domain. Terdapat beberapa skema interpolasi yang sering digunakan yaitu :

- First-order upwind scheme

Skema interpolasi yang paing ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya hanya orde satu. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dalah sama dengan nilai pusat sell dalam sell upstream.

Skema ini memungkinkan digunakan pada penyelesaian berbasis tekanan dan rapatan (density)

- Second-order upwind scheme

Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunaan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh. Karena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen.

Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dikomputasi mengikuti bentuk : (23)

(45)

Dimana, dan adalah nilai pusat sell dan gradient dalam sell upstream, dan adalah vektor perpindahan dari pusat luasan sell upstream ke bidang pusat luasan.

- Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) scheme

Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemen mesh tri, dengan alian fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam.

Untuk bidang pada Gambar, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis sebagai berikut :

(24)

Gambar 2.13 Volume kontrol 1 dimensi (Fluent Inc, 2006)

2.5.3 Manfaat CFD

Terdapat tiga hal yang menjadi alasan kuat menggunakan CFD, yakni : 1. Insight-Pemahaman mendalam

Ketika melakukan desain pada sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat

prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD

memungkinkan untuk merangkak, merayap, dan menyelinap masuk secara virtual ke dalam alat/sistem yang akan dirancang tersebut.

2. Foresight-Prediksi menyeluruh

CFD adalah alat untuk memperidiksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem, dan CFD dapat mengubah-ubah kondisi batas (variasi kondisi batas).

(46)

3. Efficiency-Efisiensi waktu dan biaya

Foresight yang diperoleh dari CFD sangat membantu untuk mendesain lebih

cepat dan hemat uang. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai pasaran. 2.5.4 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut :

1. Preprocessing

Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

2. Solving

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi

yangditerapkan pada saat preprocessing. 3. Postprocessing

Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva , dan animasi.

Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut :

1. Pembuatan geometri dari model/problem.

2. Bidang atau volume yang di isi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing). 3. Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalpi

+ konversi species (zat-zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan).

4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan.

(47)

5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara

iterative, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.

6. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

2.5.5 Langkah Penyelesaian Masalah Pada CFD

Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum penyelesaian analisis CFD sebagai berikut :

1. Membuat geometri dan mesh pada model.

2. Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D). 3. Mengimpor mesh model (grid).

4. Melakukan pemeriksaan pada mesh model. 5. Memilih formulasi solver.

6. Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain.

7. Menentukan sifat material yang akan dipakai. 8. Menentukan kondisi batas.

9. Mengatur parameter kontrol solusi. 10. Initialize the flow field.

11. Melakukan perhitungan/iterasi. 12. Memeriksa hasil iterasi.

13. Menyimpan hasil iterasi.

14. Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik.

Secara umum, diagram alir penyelesaian masalah pada CFD ialah sebagai berikut :

(48)

(49)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu Dan Tempat

Penelitian dilakukan pada bulan Juni hingga Agustus 2011. Proses pengumpulan data, pengukuran, dan analisa penelitian ini berlangsung di Laboratorium Teknik Pendingin, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat

Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : a. Gergaji pipa

b. Tang

c. Kabel termokopel

d. Alat ukur temperatur udara, kecepatan angin, dan kelembaban

HOBOMicro Station Data Logger

Data Logger merupakan sebuah mesin pencatat akurasi tinggi yang pada penggunaannya dihubungkan dengan sensor pintar yang berfungsi untuk melakukan pengukuran dengan objek sesuai dengan sensor yang digunakan.

HOBO Micro Station pada penggunannya dihubungkan dengan sistem

komputer yang berfungsi sebagai penampil data hasil pengukuran yang dilakukan.

HOBO Micro Station Data Logger yang digunakan memiliki

spesifikasi seperti berikut ini :

1. Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm 2. Berat : 0,36 kg

3. Skala Pengoperasian : -200 – 500C dengan baterai alkalin -400 – 700C dengan baterai litium

(50)

4. Input Sensor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring 5. Memori Internal : 512K Penyimpanan data nonvolatile

flash.

6. Interval Pengukuran : Tidak Terbatas

7. Akurasi Waktu : 0 sampai 2 detik untuk titik data pertama dan ±5 detik untuk setiap minggu pada suhu 25oC

Gambar HOBO Micro Station Data Logger dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 3.1HOBO Micro Station Data Logger

e. Alat ukur temperatur yaitu termokopel yang terhubung dengan

AGILENT Sistem Akuisisi Data

Alat ukur yang digunakan memiliki spesifikasi seperti berikut ini :

Daya ( P ) = 35 W Tegangan ( V ) = 250 V

Jumlah Channel maksimum = 22 Channel

AGILENT Sistem Akuisisi Data memiliki 3 saluran utama. Alat ini

dapat memindai data hingga 250 saluran per detik. Selain digunaka untuk mengukur temperatur, alat ini dapat juga digunakan untuk

(51)

mengukur kuat arus, tegangan, hambatan/resistansi, dll. Alat ini dapat dilihat pada gambar berikut ini :

Gambar 3.2 AGILENT Sistem Akuisisi Data

f. Alat uji simulasi yaitu perangkat lunak CFD

3.2.2 Bahan

Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :

a. Areal tanah lingkungan DTM FT USU b. Pipa PVC

c. Selotif d. Lem

(52)

3.3Prosedur Penelitian

Prosedur dari penelitian ini dapat dilihat melalui diagram alir berikut :

Gambar 3.3 Diagram Alir Proses Penelitian

Mulai Studi Literatur Buku Referensi, Jurnal,Internet, dll

Pengumpulan Data Keadaan Cuaca

Analisis Hasil Pengukuran

PemodelanReservoir

Simulasi Model Hingga Konvergen

Simulasi Konvergen ? Tidak

PemodelanSistemGroundcooling Ya

Simulasi Sistem Hingga Konvergen

Simulasi Konvergen ? Tidak

Ya Plot distribusi kecepatan,

temperatur, dll.

Analisa Data Hasil Simulasi

(53)

3.4Variabel Riset

Adapun variabel input dari penelitian yang akan dilakukan adalah sebagai berikut :

a. Temperatur inlet, yaitu temperatur udara luar b. Temperatur tanah

c. Kecepatan udara masuk reservoir

Dari variabel input tersebut, peneliitian ditujukan untuk mendapatkan data hasil simulasi berupa variabel output, yaitu :

a. Kecepatan udara keluar reservoir b. Temperatur udara keluar reservoir

(54)

BAB IV

ANALISA GROUNDCOOLING

4.1 Hasil Pengukuran

4.1.1 Hasil Pengukuran Dengan HOBO Micro Station Data Logger

Berikut ini ditampilkan hasil pengukuran dengan data logger selama selang waktu Juni-Agustus 2011. Data ini dikumpulkan dengan tujuan untuk mendapatkan bagaimana kondisi temperatur dan intensitas cahaya matahari rata-rata harian kota Medan. Hal ini diperlukan karena parameter-parameter

tersebut sangat mempengaruhi efek pendinginan yang akan didapatkan. Pengukuran dengan HOBO Micro Station Data Logger dilakukan di

Gedung Program Pascasarjana Departemen Teknik Mesin FT USU. Sensor dipasang di lantai IV dan Logger beserta Notebook berada di Laboratorium Teknik Pendingin.

4.1.1.1 Hasil Pengukuran Dengan HOBO Micro Station Data Logger untuk kondisi Juni 2011

a. Intensitas Matahari Maksimum Harian

Dapat dilihat pada grafik Intensitas Maksimum VS Waktu berikut ini :

(55)

b. Temperatur Maksimum Harian

Dapat dilihat pada grafik Temperatur Maksimum VS Waktu berikut ini :

Grafik 4.2 Temperatur Udara Maksimum untuk kondisi Juni 2011 Padagrafikterlihatpadatanggal 6-9 Junitidakterjadipengukuran. Hal inidisebabkanterjadipermasalahanpadaalatukur yang digunakan.

4.1.1.2 Hasil Pengukuran Dengan HOBO Micro Station Data Logger untuk kondisi Juli 2011

a. Intensitas Matahari Maksimum HarianDapat dilihat pada grafik Intensitas Matahari Maksimum Harian VS Waktu berikut ini:

(56)

b. Temperatur Maksimum Harian

Dapat dilihat pada grafik Temperatur Maksimum Harian VS Waktu berikut ini :

Grafik 4.4 Temperatur Udara Maksimum Harian untuk kondisi Juli 2011

4.1.1.3 Hasil Pengukuran Dengan HOBO Micro Station Data Logger untuk kondisi Agustus 2011

a. Intensitas Matahari Maksimum Harian

Dapat dilihat pada grafik Intensitas Matahari Maksimum Harian VS Waktu berikut ini :

(57)

b. Temperatur Maksimum Harian

Dapat dilihat pada grafik Temperatur Maksimum Harian VS Waktu berikut ini :

Grafik 4.6 Temperatur Udara Maksimum Harian untuk kondisi Agustus 2011

Berdasarkan hasil pengukuran yang kita lihat pada grafik 4.2 s/d 4.6, terlihat bahwa temperatur udara harian rata-rata daerah Medan (sekitar areal DTM FT USU) seringkali melebihi 300C. Hal ini disebabkan kondisi iklim dan juga intensitas radiasi matahari hariann yang cukup besar untuk tiap harinya. Berdasarkan kondisi tersebut, maka pengkondisian udara dengan memanfaatkan efek groundcooling memilki potensi yang cukup besar untuk dipergunakan.

4.1.2 Hasil Pengukuran Temperatur Ruangan Beban

Proses pengukuran ini dilakukan di ruangan kuliah J17.402 Departemen Teknik Mesin FT USU pada tanggal 22 September 2011, dengan durasi waktu 7 jam dimulai pukul 10.00 WIB hingga pukul 17.00 WIB. Skema pemasangan sensor termokopel pada ruangan ini dapat dilihat pada gambar berikut ini :

(58)

Gambar 4.1 Skema Pemasangan Sensor Termokopel pada 16 Titik di Ruangan Kuliah J17.402

Proses pengukuran dilakukan dengan alat Agilent Sistem Akuisisi Data dan termokopel yang digunakan adalah termokopel tipe K dan tipe T. Interval waktu pengukuran ialah 1 menit selama 7 jam. Hasil pengukuran temperatur pada tiap titik dapat dilihat pada grafik berikut ini :

1. Temperatur Titik 1

Grafik 4.7 Temperatur Titik 1 pada Ruangan Beban J E N D E LA

PINTU

2 3 4

9 10

6 8

11 ₁₂

13 14 15

(59)

2. Temperatur Titik 2

Grafik 4.8 Temperatur Titik 2 pada Ruangan Beban 3. Temperatur Titik 3 pada Ruangan Beban

Grafik 4.9 Temperatur Titik 3 pada Ruangan Beban 4. Temperatur Titik 4 pada Ruangan Beban

(60)

5. Temperatur Titik 5 pada Ruangan Beban

Grafik 4.11 Temperatur Titik 5 pada Ruangan Beban 6. Temperatur Titik 6 pada Ruangan Beban

Grafik 4.12 Temperatur Titik 6 pada Ruangan Beban 7. Temperatur Titik 7 pada Ruangan Beban

(61)

8. Temperatur Titik 8 pada Ruangan Beban

Grafik 4.14 Temperatur Titik 8 pada Ruangan Beban 9. Temperatur Titik 9 pada Ruangan Beban

Grafik 4.15 Temperatur Titik 9 pada Ruangan Beban 10.Temperatur Titik 10 pada Ruangan Beban

(62)

11.Temperatur Titik 11 pada Ruangan Beban

Grafik 4.17 Temperatur Titik 11 pada Ruangan Beban 12.Temperatur Titik 12 pada Ruangan Beban

Grafik 4.18 Temperatur Titik 12 pada Ruangan Beban 13.Temperatur Titik 13 pada Ruangan Beban

(63)

14.Temperatur Titik 14 pada Ruangan Beban

Grafik 4.20 Temperatur Titik 14 pada Ruangan Beban 15.Temperatur Titik 15 pada Ruangan Beban

Grafik 4.21 Temperatur Titik 15 pada Ruangan Beban 16.Temperatur Titik 16 pada Ruangan Beban

(64)

17.Temperatur Udara rata-rata pada Ruangan Beban

Grafik 4.23 Temperatur Udara Rata-rata pada Ruangan Beban

Dari hasil pengukuran dapat diambil kesimpulan bahwa temperatur udara rata-rata pada ruangan beban untuk tiap jam nya seperti terlihat pada tabel berikut ini :

(65)

4.1.3 Hasil Pengukuran Temperatur Tanah

Pengukuran temperatur tanah dilakukan untuk mendapakan kondisi riil distribusi temperatur di dalam tanah, yang nantinya efek dinginnya akan dimanfaatkan untuk pendingin ruangan dengan biaya operasi yang relatif murah serta ramah lingkungan. Pengukuran dilakukan di belakang Sekretariat Ikatan Mahasiswa Mesin, dalam lingkungan Departemen Teknik Mesin FT USU. Pengukuran dilakukan dengan menanamkan sensor termokopel di dalam tanah, dengan variasi kedalaman. Variasi kedalaman penanaman sensor termokopel ialah 1 m, 2m, 3m, 4m, 5m, 7,5m, 10m. Pengukuran ini berlangsung selama 22 hari, dimulai tanggal 26 Agustus hingga 16 September 2011. Namun, dalam penelitian ini data hasil pengukuran yang digunakan ialah data mulai tanggal 1 September hingga 16 September 2011. Temperatur tanah rata-rata harian untuk setiap kedalaman dapat dilihat pada grafik di berikut ini :

1. Temperatur Tanah Kedalaman 1 m

Grafik 4.24 Temperatur Tanah Kedalaman 1 m 2. Temperatur Tanah Kedalaman 2 m

(66)

3. Temperatur Tanah Kedalaman 3 m

Grafik 4.26 Temperatur Tanah Kedalaman 3 m 4. Temperatur Tanah Kedalaman 4 m

Grafik 4.27 Temperatur Tanah Kedalaman 4 m 5. Temperatur Tanah Kedalaman 5 m

(67)

6. Temperatur Tanah Kedalaman 7,5 m

Grafik 4.29 Temperatur Tanah Kedalaman 7,5 m 7. Temperatur Tanah Kedalaman 10 m

Grafik 4.30 Temperatur Tanah Kedalaman 10 m

Dari hasil pengukuran temperatur tanah tersebut didapatkan temperatur tanah rata-rata untuk setiap titik. Data hasil pengukuran inilah yang merupakan bagian terpenting dalam proses penelitian ini. Karena data ini nantinya akan digunakan sebagai parameter untuk menentukan kedalaman yang ideal untuk penanaman reservoir pada siklus groundcooling, dan akan digunakan juga sebagai data input temperatur pada saat proses simulasi. Data temperatur rata-rata untuk setiap variasi kedalaman dapat kita lihat pada tabel berikut ini :

(1)

[14] Nasution, H. Dan Mat Nawi Wan Hassan. 2004. Hemat Energi pada Sistem Air Conditioning Sebagai Upaya Mengatasi Krisis Energi di Indonesia. Proc. of the International Scientific Meeting Indonesian Student 2004. UK [15] Pinem, Mhd. Daud. 2009. Catia Si Jago Desain Tiga Dimensi ; Versi 5R-16.

Penerbit LinguaKata : Surabaya

[16] Reinmann, G. et al. Groundcooling Of Ventilation Air For Energy Efficient House In Malaysia: A Case Study Of The Cooltek House. Conference on Sustainable Building South East Asia, 5-7 November 2007, Malaysia

[17] Soegijanto, A dan Putra Soelami. 1993. Development of Energy Audit

Methods for Energy Conservation in Office Buildings. Sponsored by Building Research Institute, Department of Public Works

[18] Stoecker, W. F dan J. W. Jones. 1992. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi Kedua. Erlangga : Jakarta

[19] Suprapto. 1996. Seri Maret : Standard Perancangan Konservasi Energi pada Bangunan Gedung. Majalah Konstruksi

[20] Tiwari, G. N. et al. Annual thermal performance of greenhouse with an earth–air heat exchanger: An experimental validation. ScienceDirect Renewable Energy 31 (2006) 2432-2446 : Elsevier Ltd.

[21] Yunus A. Cengel. HeatTransfer A Practical Approach, Second Edition. Mc Graw-Hill, Book Company, Inc : Singapore

(2)

LAMPIRAN A

Data Temperatur Udara Harian

1. Rekapitulasi Data Juni 2011

Tanggal Int. Max Temp Max

Kec Angin

Max RH Max

W/m2 Waktu oC Waktu m/s Waktu % Waktu

1 Tidak Ada Pengukuran

2 945.6 13:09 34.519 13:28 3.81 15:20 97.1 20:29 3 874.4 13:04 34.281 13:40 3.81 13:27 96.9 5:12 4 849.4 12:32 35.877 13:54 5.71 15:07 95.4 3:49 5 930.6 10:52 34.334 11:29 4.95 16:35 99.8 23:58 6 243.1 9:54 28.023 9:54 0.76 8:52 99.8 0:07 7

Tidak Ada Pengukuran 8

10 1065.6 13:45 37.151 14:20 8.76 19:32 94.7 23:05 11 853.1 11:03 35.904 15:21 3.43 18.41 96.4 2:23 12 880.6 12:56 34.492 13:52 3.81 15:34 96.3 5:55 13 965.6 11:17 37.398 13:52 4.19 20:00 99.8 21:16 14 939.4 14:23 36.389 13:30 3.81 15:27 97.9 3:54 15 864.4 12:58 36.308 14:11 4.19 15:36 97.1 6:37 16 1058.1 11:47 34.624 13:23 3.81 14:52 94.5 6:56 17 836.9 12:57 35.555 14:23 7.61 18:58 96.4 5:27 18 843.1 13:04 36.389 12:23 3.43 19:15 42.5 12:23 19 900.6 13:25 36.417 13:30 3.43 15:24 95.4 1:21 20 846.9 11:25 35.182 12:30 2.66 16:01 96.2 4:59 21 905.6 12:00 35.422 13:43 3.81 15:59 92.7 6:14 22 411.9 14:28 31.281 15:23 2.66 17:07 96.8 4:33 23 1135.6 11:34 35.155 13:16 4.19 15:05 96.3 5:58 24 950.6 13:31 36.417 13:57 3.81 19:36 95.8 23:54 25 1051.9 12:31 34.863 11:53 3.81 17:44 97.4 4:57 26 873.1 11:31 34.651 12:41 5.33 16:36 96.7 16:47 27 965.6 12:19 32.717 12:20 4.57 13:55 97.4 14:05 28 794.4 13:10 34.889 12:05 4.95 16:36 99.6 3:12

(3)

2. Rekapitulasi Data Juli 2011

Tanggal Int. Max Temp Max

Kec Angin

Max RH Max

W/m2 Waktu oC Waktu m/s Waktu % Waktu

1 828.1 11:40 34.589 13:42 4.95 17:48 99.2 18:15 2 870.6 11:29 36.308 15:26 3.43 16:40 99.7 5:28 3 1011.9 12:18 33.469 12:22 3.81 15:27 98.4 4:17 4 856.9 12:38 35.368 13:58 3.05 14:04 96.2 4:05 5 845.6 12:10 35.395 12:10 3.43 15:33 94.1 3:17 6 780.6 13:12 35.368 12:39 3.81 14:55 96 23:53 7 716.9 12:39 32.717 13:55 2.66 12:43 96.7 3:26 8 869.4 12:11 34.836 15:21 3.05 9.28 94.4 2:09 9 610.6 14:18 32.768 15:39 3.05 14:06 92.1 1:20 10 883.1 11:52 36.987 15:29 3.43 13:47 96.7 6:14 11 936.9 12:33 35.022 11:55 3.81 13:53 94.2 6:17 12 1138.1 12:00 35.155 13:17 3.43 12:33 96.5 21:49 13 845.6 12:53 33.209 12:52 3.43 18:16 97.7 4:34 14 726.9 13:34 32.458 14:52 4.19 11:24 91.6 1:41 15 861.9 10:23 33.209 12:15 3.43 11:03 91.6 3:04 16 584.4 13:46 33.235 13:55 2.66 16:44 95.9 7:35 17 860.6 13:13 35.609 15:05 6.47 19:26 97.3 20:10 18 793.1 12:16 35.609 13:30 3.43 14:58 97.8 2:47 19 773.1 13:27 36.173 15:52 3.81 16:45 93.2 4:17 20 810.6 12:41 36.633 13:59 3.43 15:18 92.7 5:58 21 870.6 12:08 34.863 13:28 3.81 19:24 97.2 20:36 22 908.1 11:15 35.155 13:40 3.81 15:43 96 3:37 23 559.4 13:47 32.484 13:04 3.43 20:26 93.5 21:49 24 989.4 12:34 35.155 12:39 7.61 16:22 99.6 19:28 25 876.9 12:30 35.904 14:04 3.81 14:05 99.3 6:44 26 895.6 12:00 35.022 13:38 4.19 13:42 97.1 6:12 27 1086.9 11:48 33.678 12:01 5.71 21:31 100 23:33 28 868.1 12:30 36.851 12:52 7.23 18:37 100 1:33 29 1079.4 11:31 34.519 13:35 6.47 19:19 99.9 6:32 30 914.4 13:11 35.689 12:42 4.57 14:16 97.8 3:43 31 1028.1 11:56 35.155 13:00 3.43 21:30 97.7 6:30

(4)

3. Rekapitulasi Data Agustus 2011

Tanggal Int. Max Temp Max

Kec Angin

Max RH Max

W/m2 Waktu oC Waktu m/s Waktu % Waktu

1 976.9 13:15 34.492 14:01 4.57 16:22 97.2 6:37 2 911.9 12:51 36.552 13:31 3.05 17:22 93.6 6:34 3 1033.1 11:02 32.691 15:15 3.05 12:03 90.2 4:04 4 623.1 15:42 31.689 16:09 11.42 3:34 100 4:10 5 924.4 10:59 34.492 13:04 3.05 6:57 95.35 5:39 6 941.9 11:34 34.426 12:23 4.57 21:30 100 21:44 7 871.9 11:10 33.495 11:49 19:26 15:21 99.9 4:49 8 801.9 10:45 33.992 14:13 6.09 17:48 97 23:57 9 968.1 13:05 35.022 14:11 3.81 22:44 99.2 2:32 10 519.4 15:17 32.175 16:00 3.05 1:05 98.1 7:14 11 966.9 12:43 34.942 11:42 6.85 18:39 98.7 4:13 12 960.6 13:06 33.757 13:06 3.81 16:28 99.3 5:13 13 541.9 10:47 31.791 10:50 3.43 11:42 95.8 23:59 14 930.6 11:47 32.794 11:09 6.09 13:38 100 15:30 15 978.1 13:06 35.475 13:17 3.43 15:18 99.7 4:41 16 608.1 14:58 32.175 15:53 2.28 22:11 99.3 6:36 17 888.1 12:15 34.045 13:42 3.81 12:32 97.8 4:49 18 986.9 12:58 34.863 14:33 4.95 18:03 99.7 6:51 19 888.1 11:35 32.175 14:17 3.81 23:58 95.3 0:03 20 655.6 13:34 31.255 14:19 3.43 6:41 100 7:51 21 846.9 12:36 35.582 15:10 3.81 12:19 99.1 2:40 22 25 11:44 31.637 15:47 3.05 20:41 98.8 7:37 23 26.2 9:54 33.365 14:21 3.43 15:27 99.6 3:16 24 25.2 13:04 30.478 14:08 3.05 11:15 95.1 6:02 25 25.5 14:45 31.675 14:45 3.05 12:16 98 6:36 26 25.6 12:13 32.02 13:07 3.05 13:15 99.3 6:43 27 26.4 10:40 34.071 12:34 2.66 11:36 99.9 2:04 28 26.1 9:58 32.562 11:33 5.33 12:59 99.4 23:17 29 26 16:50 33.261 14:28 4.57 11:19 99.2 5:11 30 26.2 14:59 32.458 15:21 3.43 12:16 100 5:32 31 26.6 10:15 35.208 12:53 5.71 18:39 98.9 5:13

(5)

LAMPIRAN B

Data Temperatur Tanah

Rekapitulasi Data Temperatur Tanah Rata-Rata Berbagai Kedalaman

Tanggal Temperatur Rata-Rata (

C) Pada Kedalaman

1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 7,5 m

26 Agustus 2011 27.122 27.419 27.684 27.945 28.003 28.023 27 Agustus 2011 26.268 26.364 26.346 26.690 26.730 26.793 28 Agustus 2011 25.886 26.104 26.301 26.444 26.509 26.597 29 Agustus 2011 25.897 26.028 26.233 26.335 26.402 26.512 30 Agustus 2011 25.885 26.013 26.235 26.323 26.384 26.496 31 Agustus 2011 25.901 26.034 26.267 26.339 26.339 26.516 01 September 2011 25.959 26.060 26.172 26.355 26.419 26.505 02 September 2011 26.024 26.101 26.294 26.380 26.425 26.519 03 September 2011 26.023 26.115 26.271 26.393 26.437 26.520 04 September 2011 26.041 26.129 26.303 26.393 26.435 26.520 05 September 2011 25.941 26.058 26.261 26.337 26.041 26.463 06 September 2011 26.022 26.058 26.218 26.317 26.375 26.427 07 September 2011 26.098 26.128 26.274 26.361 26.408 26.492 08 September 2011 26.058 26.116 26.262 26.352 26.395 26.472 09 September 2011 26.135 26.081 26.169 26.329 26.369 26.477 10 September 2011 26.045 26.097 26.262 26.343 26.385 26.487 11 September 2011 26.093 26.141 26.202 26.378 26.415 26.505 12 September 2011 26.061 26.129 26.238 26.364 26.406 26.489 13 September 2011 26.025 26.088 26.193 26.323 26.372 26.454 14 September 2011 25.808 25.937 26.207 26.282 26.351 26.431 15 September 2011 25.924 26.005 26.238 26.301 26.345 26.434 16 September 2011 25.989 26.047 26.251 26.333 26.388 26.463

(6)

LAMPIRAN C

Data Temperatur Ruangan

Data Pengukuran Temperatur Ruangan Kelas J17.4202 Tanggal 22 September 2011

Waktu Temperatur (

C) pada Masing-Masing Titik

Titik1 Titik2 Titik3 Titik4 Titik5 Titik6 Titik7 Titik8 Titik9 Titik10 Titik11 Titik12 Titik13 Titik14 Titik15 Titik16

10:00 29.487 29.061 29.055 29.458 29.167 31.012 28.923 29.379 28.985 29.508 28.867 28.062 28.433 28.618 28.288 28.404 10:10 28.853 29.442 29.372 29.227 29.628 29.383 30.394 29.132 27.989 29.277 29.719 29.413 27.989 28.380 28.535 28.316 10:20 29.943 29.634 29.363 29.819 29.612 31.383 29.462 29.347 29.408 29.460 29.177 28.117 28.791 28.642 28.393 28.348 10:30 28.890 29.622 29.816 29.574 29.787 29.372 29.615 29.353 28.749 29.445 29.582 28.749 28.093 28.767 29.028 28.604 10:40 29.436 29.007 28.887 29.485 28.852 31.320 27.419 29.543 29.791 29.759 28.538 27.224 28.846 28.630 28.122 28.383 10:50 28.816 29.594 29.503 29.321 29.505 29.255 29.086 28.874 27.959 28.575 28.978 28.786 27.810 27.991 28.032 27.936 11:00 28.663 29.487 29.061 29.055 29.458 29.167 31.012 28.923 28.062 28.985 29.508 28.867 28.062 28.433 28.618 28.406 11:10 28.939 29.836 29.662 29.450 29.906 29.518 30.068 29.269 28.026 29.168 29.536 29.005 28.026 28.700 28.735 28.288 11:20 28.936 29.868 29.779 29.583 29.701 29.420 32.610 29.315 27.885 29.201 29.417 29.111 27.885 28.187 28.246 28.126 11:30 28.764 29.619 29.405 29.397 29.451 29.338 30.729 28.929 27.936 28.717 29.096 28.688 27.842 28.366 28.453 27.912 11:40 28.822 29.561 29.422 29.197 29.322 29.205 29.256 28.871 28.166 29.288 29.392 28.646 27.970 28.680 28.470 27.910 11:50 28.434 29.138 29.030 29.054 28.786 28.562 28.761 28.474 27.907 28.390 28.616 28.389 27.907 28.287 28.193 27.856 12:00 28.285 29.242 28.988 28.926 28.826 28.660 28.734 28.545 27.828 28.541 30.047 28.283 27.828 28.324 28.256 28.024

Kajian Aplikasi Pemanfaatan Efek Dingin Tanah (Ground Cooling) Untuk Pengkondisian Udara Sebuah Ruangan Dengan Luas Bangunan 68,31 m2