Optimasi Penggunaan Air Conditioner (Ac) Pada Suatu Ruangan Dengan Metode Elemen Hingga
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perubahan di era globalisasi memberikan dampak pada perkembangan ilmu
pengetahuan dan teknologi, dimana ditemukannya alat-alat teknologi yang
semakin canggih untuk memberikan kenyamanan bagi manusia. Pengetahuan
tentang fungsi pendinginan udara sudah semakin berkembang pesat. Orang tidak
hanya menggunakan sistem pendingin untuk mengawetkan makanan, melainkan
juga untuk pengkondisian udara yaitu Air Conditioner (AC).
AC adalah sebuah alat yang dapat berfungsi mengkondisikan udara dengan
cara mengontrol temperatur udara dalam ruang tertentu. AC mengubah keadaan
suhu udara panas ke udara yang bersuhu dingin dalam sebuah ruangan menjadi
lebih nyaman. Alat ini dapat menjalankan fungsinya sebagai alat pendingin karena
dalam AC terdapat banyak komponen, baik mekanis maupun elektris yang
membutuhkan sumber energi yang cukup besar.
Dalam proses mengubah udara bersuhu panas ke udara yang bersuhu
dingin AC memiliki cara kerja. Menurut Priyadi (2009) cara kerja AC yaitu,
Refrigeran (fluida yang memiliki sifat menyerap kalor, biasanya Freon) diberikan
tekanan oleh kompressor dalam sistem mesin pendingin. Akibat pendinginan di
kondensor refrigerant bertekanan mencair dan melalui pipa kapiler dialirkan ke
evaporator. Pada evaporator, refrigeran mengalami proses “trotling” yaitu
perubahan fase dari cair menjadi gas sehingga mengakibatkan daerah di sekitar
evaporator menjadi dingin. Lalu gas yang berupa uap dingin ini di sirkulasikan ke
dalam ruangan dengan bantuan fan sirkulasi sehingga suhu ruangan menjadi
turun. Gas refrigeran yang terbentuk karena penyerapan tadi selanjutnya dialirkan
ke dalam kompressor dengan menggunakan daya isap kompressor untuk
selanjutnya dikompres/ ditekan kembali mengikuti siklus awal, atau dengan kata
lain, AC hanya sebagai sebuah alat elektronik yang mengatur sirkulasi udara di
dalam ruangan. Udara yang terisap disirkulasikan secara terus menerus oleh kipas
Universitas Sumatera Utara
sirkulasi (blower) melewati sirip evaporator. Saat melewati evaporator, udara
yang bertemperatur lebih tinggi dari evaporator diserap panasnya oleh bahan
pendingin, kemudian dilepaskan di luar ruangan ketika aliran refrigeran melewati
kondensor. Jadi, temperature udara yang rendah atau dingin yang dirasakan dalam
ruangan sebenarnya adalah hasil sirkulasi udara yang dikeluarkan evaporator.
Bukan udara yang dihasilkan oleh perangkat AC. Jadi, temperature udara yang
rendah atau dingin yang dirasakan dalam ruangan sebenarnya adalah hasil
sirkulasi udara yang dikeluarkan evaporator. Bukan udara yang dihasilkan oleh
perangkat AC. Unit AC hanyalah tempat bersirkulasinya udara yang sekaligus
menangkap kalor (panas) pada udara ruangan hingga mencapai temperature yang
diinginkan.
Gambar 1.1 Proses cara kerja AC
Dari persoalan diatas, maka peneliti akan melakukan optimasi penggunaan
AC pada suatu ruangan, dan diselesaikan dengan menggunakan Metode Elemen
Hingga pada model perpindahan panas cairan. Dengan Metode Elemen Hingga,
dapat memecahkan persoalan yang rumit dan sukar. (Cook, 1990) Metode elemen
hingga adalah prosedur numerik untuk memecahkan masalah mekanika kuantum
Universitas Sumatera Utara
dengan ketelitian yang dapat diterima oleh rekayasawan. Metode elemen hingga
ini dapat dipakai untuk memecahkan berbagai masalah, daerah yang dianalisis
dapat mempunyai bentuk, beban, kondisi batas yang sembarang. Penyelesaian
optimasi penggunaan AC pada suatu ruangan ini menggunakan Software Comsol
Multiphysics 5.0a.
Comsol adalah software simulasi elemen hingga, yang pada dasarnya
dapat mensimulasikan berbagai aplikasi fisika dan teknik, seperti mensimulasikan
perpindahan panas melalui struktur yang kompleks, kristal fotonik pada skala
nano, lentur mekanik balok, aliran cairan, proses elektrokimia, fisika plasma dan
lainnya. Comsol Multiphysics 5.0a merupakan ekspansi yang signifikan dari
aplikasi software, fitur dan fungsi. Keuntungan utama dalam menggabungkan
simulasi komputer dan analisis prinsip-prinsip utama adalah bahwa penggguna
dapat mencoba banyak pendekatan yang berbeda untuk solusi dari masalah yang
sama yang diperlukan untuk mendapatkan solusi yang benar (atau setidaknya
mendekati benar).
Menurut Welty dkk (2004) persamaan differensial umum untuk transfer
panas atau yang disebut juga transfer energy adalah sebagai berikut:
�. (−��� ) + ��� �. �� = �
(1.1)
di mana � adalah konduktivitas termal (W/mK), � adalah temperatur aliran yang
sedang bereaksi (K), � adalah massa jenis (kg/m3), �� adalah kapasitas panas pada
tekanan konstan (J/kg.K), � adalah medan kecepatan (�/�) , � adalah laju
volumetrik dari pembangkitan energi termal (W/m3).
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka penulis memilih judul penelitian ini
dengan “ Optimasi Penggunaan Air Conditioner AC Pada Suatu Ruangan
Dengan Metode Elemen Hingga.”
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Dari persoalan cara kerja AC dalam mendinginkan suatu ruangan maka rumusan
masalah yang akan diteliti adalah bagaimana cara mengoptimalkan penggunaan
AC pada suatu ruangan dengan metode elemen hingga.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Optimasi penggunaan AC pada suatu ruangan menggunakan metode
elemen hingga dengan software COMSOL
2. Pengoptimalan AC ditentukan berdasarkan panjang ruangan, lebar
ruangan, tinggi ruangan, dan posisi letak AC.
3. Kondisi ruangan standar rumah tinggal, tidak untuk ruangan berlantai atas,
ruangan tidak berhimpit dengan ruangan lain, ruangan diasumsikan
ruangan tertutup.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah menyelesaikan persoalan optimasi pengunaan
AC pada suatu ruangan menggunakan metode elemen hingga.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Mengoptimalkan pengunaan AC pada suatu ruangan sehinggga mengurangi
penggunaan AC yang terlalu boros.
2. Sebagai sumber referensi untuk mempelajari tentang metode elemen hingga.
Universitas Sumatera Utara
1.6 Metodologi Penelitian
Penelitian ini adalah penelitian literatur yang disusun dengan langkah-langkah
sebagai berikut:
1. Mengumpulkan berbagai informasi terkait Optimasi dengan menggunakan
software Comsol dan Metode Elemen Hingga
2. Menentukan Model Perpindahan Panas dengan Metode Elemen Hingga
3. Menentukan kapasitas AC berdasarkan acuan luas ruangan, tembok tebal
atau biasa, posisi tembok/dinding yang terpanang
4. Untuk memberikan visualisasi penggambaran model dari Optimasi
Penggunaan AC pada suatu ruangan, digunakan bantuan Software Comsol
Multiphysics 5.0a.
5. Membuat kesimpulan
Universitas Sumatera Utara
1.7 Kerangka Penelitian
Berikut adalah kerangka penelitian yang akan dilakukan dari keterangan
metodologi penelitian:
Menentukan Ukuran Ruangan
Persamaan Energi untuk Perpindahan Panas
Menentukan kondisi Awal dan Batas
Metode Galerkin
Metode Elemen Hingga
Pembahasan dan Hasil menggunakan
Comsol Multiphysics 5.2
Menganalisis hasil dari perhitungan untuk
Pengoptimalan Penggunaan AC pada Suatu Ruangan
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perubahan di era globalisasi memberikan dampak pada perkembangan ilmu
pengetahuan dan teknologi, dimana ditemukannya alat-alat teknologi yang
semakin canggih untuk memberikan kenyamanan bagi manusia. Pengetahuan
tentang fungsi pendinginan udara sudah semakin berkembang pesat. Orang tidak
hanya menggunakan sistem pendingin untuk mengawetkan makanan, melainkan
juga untuk pengkondisian udara yaitu Air Conditioner (AC).
AC adalah sebuah alat yang dapat berfungsi mengkondisikan udara dengan
cara mengontrol temperatur udara dalam ruang tertentu. AC mengubah keadaan
suhu udara panas ke udara yang bersuhu dingin dalam sebuah ruangan menjadi
lebih nyaman. Alat ini dapat menjalankan fungsinya sebagai alat pendingin karena
dalam AC terdapat banyak komponen, baik mekanis maupun elektris yang
membutuhkan sumber energi yang cukup besar.
Dalam proses mengubah udara bersuhu panas ke udara yang bersuhu
dingin AC memiliki cara kerja. Menurut Priyadi (2009) cara kerja AC yaitu,
Refrigeran (fluida yang memiliki sifat menyerap kalor, biasanya Freon) diberikan
tekanan oleh kompressor dalam sistem mesin pendingin. Akibat pendinginan di
kondensor refrigerant bertekanan mencair dan melalui pipa kapiler dialirkan ke
evaporator. Pada evaporator, refrigeran mengalami proses “trotling” yaitu
perubahan fase dari cair menjadi gas sehingga mengakibatkan daerah di sekitar
evaporator menjadi dingin. Lalu gas yang berupa uap dingin ini di sirkulasikan ke
dalam ruangan dengan bantuan fan sirkulasi sehingga suhu ruangan menjadi
turun. Gas refrigeran yang terbentuk karena penyerapan tadi selanjutnya dialirkan
ke dalam kompressor dengan menggunakan daya isap kompressor untuk
selanjutnya dikompres/ ditekan kembali mengikuti siklus awal, atau dengan kata
lain, AC hanya sebagai sebuah alat elektronik yang mengatur sirkulasi udara di
dalam ruangan. Udara yang terisap disirkulasikan secara terus menerus oleh kipas
Universitas Sumatera Utara
sirkulasi (blower) melewati sirip evaporator. Saat melewati evaporator, udara
yang bertemperatur lebih tinggi dari evaporator diserap panasnya oleh bahan
pendingin, kemudian dilepaskan di luar ruangan ketika aliran refrigeran melewati
kondensor. Jadi, temperature udara yang rendah atau dingin yang dirasakan dalam
ruangan sebenarnya adalah hasil sirkulasi udara yang dikeluarkan evaporator.
Bukan udara yang dihasilkan oleh perangkat AC. Jadi, temperature udara yang
rendah atau dingin yang dirasakan dalam ruangan sebenarnya adalah hasil
sirkulasi udara yang dikeluarkan evaporator. Bukan udara yang dihasilkan oleh
perangkat AC. Unit AC hanyalah tempat bersirkulasinya udara yang sekaligus
menangkap kalor (panas) pada udara ruangan hingga mencapai temperature yang
diinginkan.
Gambar 1.1 Proses cara kerja AC
Dari persoalan diatas, maka peneliti akan melakukan optimasi penggunaan
AC pada suatu ruangan, dan diselesaikan dengan menggunakan Metode Elemen
Hingga pada model perpindahan panas cairan. Dengan Metode Elemen Hingga,
dapat memecahkan persoalan yang rumit dan sukar. (Cook, 1990) Metode elemen
hingga adalah prosedur numerik untuk memecahkan masalah mekanika kuantum
Universitas Sumatera Utara
dengan ketelitian yang dapat diterima oleh rekayasawan. Metode elemen hingga
ini dapat dipakai untuk memecahkan berbagai masalah, daerah yang dianalisis
dapat mempunyai bentuk, beban, kondisi batas yang sembarang. Penyelesaian
optimasi penggunaan AC pada suatu ruangan ini menggunakan Software Comsol
Multiphysics 5.0a.
Comsol adalah software simulasi elemen hingga, yang pada dasarnya
dapat mensimulasikan berbagai aplikasi fisika dan teknik, seperti mensimulasikan
perpindahan panas melalui struktur yang kompleks, kristal fotonik pada skala
nano, lentur mekanik balok, aliran cairan, proses elektrokimia, fisika plasma dan
lainnya. Comsol Multiphysics 5.0a merupakan ekspansi yang signifikan dari
aplikasi software, fitur dan fungsi. Keuntungan utama dalam menggabungkan
simulasi komputer dan analisis prinsip-prinsip utama adalah bahwa penggguna
dapat mencoba banyak pendekatan yang berbeda untuk solusi dari masalah yang
sama yang diperlukan untuk mendapatkan solusi yang benar (atau setidaknya
mendekati benar).
Menurut Welty dkk (2004) persamaan differensial umum untuk transfer
panas atau yang disebut juga transfer energy adalah sebagai berikut:
�. (−��� ) + ��� �. �� = �
(1.1)
di mana � adalah konduktivitas termal (W/mK), � adalah temperatur aliran yang
sedang bereaksi (K), � adalah massa jenis (kg/m3), �� adalah kapasitas panas pada
tekanan konstan (J/kg.K), � adalah medan kecepatan (�/�) , � adalah laju
volumetrik dari pembangkitan energi termal (W/m3).
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka penulis memilih judul penelitian ini
dengan “ Optimasi Penggunaan Air Conditioner AC Pada Suatu Ruangan
Dengan Metode Elemen Hingga.”
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Dari persoalan cara kerja AC dalam mendinginkan suatu ruangan maka rumusan
masalah yang akan diteliti adalah bagaimana cara mengoptimalkan penggunaan
AC pada suatu ruangan dengan metode elemen hingga.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Optimasi penggunaan AC pada suatu ruangan menggunakan metode
elemen hingga dengan software COMSOL
2. Pengoptimalan AC ditentukan berdasarkan panjang ruangan, lebar
ruangan, tinggi ruangan, dan posisi letak AC.
3. Kondisi ruangan standar rumah tinggal, tidak untuk ruangan berlantai atas,
ruangan tidak berhimpit dengan ruangan lain, ruangan diasumsikan
ruangan tertutup.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah menyelesaikan persoalan optimasi pengunaan
AC pada suatu ruangan menggunakan metode elemen hingga.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1. Mengoptimalkan pengunaan AC pada suatu ruangan sehinggga mengurangi
penggunaan AC yang terlalu boros.
2. Sebagai sumber referensi untuk mempelajari tentang metode elemen hingga.
Universitas Sumatera Utara
1.6 Metodologi Penelitian
Penelitian ini adalah penelitian literatur yang disusun dengan langkah-langkah
sebagai berikut:
1. Mengumpulkan berbagai informasi terkait Optimasi dengan menggunakan
software Comsol dan Metode Elemen Hingga
2. Menentukan Model Perpindahan Panas dengan Metode Elemen Hingga
3. Menentukan kapasitas AC berdasarkan acuan luas ruangan, tembok tebal
atau biasa, posisi tembok/dinding yang terpanang
4. Untuk memberikan visualisasi penggambaran model dari Optimasi
Penggunaan AC pada suatu ruangan, digunakan bantuan Software Comsol
Multiphysics 5.0a.
5. Membuat kesimpulan
Universitas Sumatera Utara
1.7 Kerangka Penelitian
Berikut adalah kerangka penelitian yang akan dilakukan dari keterangan
metodologi penelitian:
Menentukan Ukuran Ruangan
Persamaan Energi untuk Perpindahan Panas
Menentukan kondisi Awal dan Batas
Metode Galerkin
Metode Elemen Hingga
Pembahasan dan Hasil menggunakan
Comsol Multiphysics 5.2
Menganalisis hasil dari perhitungan untuk
Pengoptimalan Penggunaan AC pada Suatu Ruangan
Universitas Sumatera Utara