Optimasi Penggunaan Air Conditioner (Ac) Pada Suatu Ruangan Dengan Metode Elemen Hingga Chapter III V
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1
Studi Pendahuluan
Langkah awal dalam penelitian ini adalah mencari dan mengumpulkan
sumbersumber seperti: buku, jurnal atau penelitian sebelumnya yang mendukung
penelitian.
3.2 Tahapan Analisis
3.2.1 Persamaan Differensial untuk Transfer Energi
Untuk kenyamanan ruangan tertentu, digunakan model perpindahan panas yang
teori dasar globalnya termasuk parameter, pengaturan dari konduksi panas,
konveksi dan radiasi dari permukaan ke lingkungan. Radiasi ke permukaan
digunakan metode bercahaya oleh refleksi baur dan bayangan. Dalam proses
perpindahan panas suatu fluida terjadi transfer energi. Transfer panas secara
konveksi diasosiasikan dengan pertukaran energi antara permukaan dengan fluida
di dekatnya. Sebagian besar situasi transfer energi yang penting sedikit banyak
selalu melibatkan pergerakan fluida. Berikut Persamaan Transfer Energi:
�. (−��� ) + ��� �. �� = �
dimana, �, �, �� , �� masing-masing mewakili sumber panas, kerapatan, kapasitas
tekanan konstan dan gradient suhu.
3.2.2 Aliran dalam ruangan Turbulent
Persamaan model aliran Turbulen dan tak mampu mampat adalah sebagai berikut.
�(�. ∇)� = ∇. [−�� + (� + � � )(∇� + (∇�)� )] + �
dimana � � adalah viskositas turbulen, � adalah viskositas dinamis, � adalah
tekanan, � adalah logaritma tingkat disipasi turbulen.
Universitas Sumatera Utara
3.2.3 Kondisi Batas
Untuk memecahkan persoalan Pengoptimalan AC dalam penelitian ini
diasumsikan jenis fluida ( udara )sebagai berikut:
A. Kondisi batas untuk persamaan turbulen
1. Kecepatan awal ditentukan,
2. Incompressible fluid (fluida tak mampu-mampat, konstan),
3. Simetri di permukaan ruangan,
4. Tekanan tetap pada outlet,
5. Fungsi dinding terletak pada dinding ruangan.
B. Kondisi batas untuk perpindahan panas
1. Temperatur tetap pada inlet,
2. Transportasi konveksi di dominasi pada dinding ruangan,
3. Simetri (isolasi termal) di permukaan ruangan,
4. Suhu ruangan dan manusia tetap.
3.2.4 Bagian Pengaturan Domain
Jenis material yang digunakan diambil dari material pustaka inbuilt di COMSOL
Multiphysics 5.0. Material yang digunakan untuk kedua domain adalah udara,
material dinding ruangan batu bata, dan material untuk manusia adalah kulit.
Bagian domain dari udara diidentifikasi dan diberikam sifat-sifat udara.
3.2.5 Meshing
Ada berbagai jenis meshing. Memilih mesh adalah murni intuitif. Meshing yang
digunakan untuk model ini adalah elemen tetrahedral dimana dilakukan
diskritisasi pada ruangan tiga dimensi pada elemen tersebut, kemudian dipilih
fungsi interpolasi untuk elemen tetrahedral tersebut,
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1. Elemen tetrahedral (Sumber: Rao, 2011)
3.2.6 Penyelesaian Masalah
Ada berbagai pemecahan masalah yang dapat dipilih dari COMSOL. Untuk
semua simulasi, otomatis memilih pemecahan yang digunakan, yang mana
mendeteksi jenis masalah yang dihadapi dan secara otomatis memilih
penyelesaian tepat yang terbaik untuk masalah yang diberikan. Penyelesaian yang
terdeteksi itu penyelesaian terpisah yang tak berubah dan sama dengan
penyelesaian yang digunakan di semua simulasi.
3.3
Simulasi Model dengan COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics adalah software untuk analisis elemen hingga. Dalam
penelitian ini akan dilihat distribusi temperatur terhadap ruangan yang di dalam
nya terdapat AC sebagai inlet (masuknya udara dingin), ruangan tersebut
dikondisikan memiliki ventilasi sebagai outlet (keluarnya udara), dan dalam
ruangan tersebut dimisalkan terdapat seorang manusia.
outlet
inlet
inlet
inlet
Universitas Sumatera Utara
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1
Simulasi Dengan Menggunakan COMSOL Multiphysics
COMSOL adalah software simulasi elemen hingga, yang pada dasarnya dapat
mensimulasikan apa pun yang diinginkan: mensimulasikan perpindahan panas
melalui struktur yang kompleks, kristal fotonik pada skala nano, lentur mekanik
balok, aliran cairan, proses elektrokimia, fisika plasma dan banyak lagi.
COMSOL Multiphysics 5.0 merupakan ekspansi yang signifikan dari aplikasi
software, fitur, dan fungsi. Versi 5.0 memberdayakan pengguna saat ini untuk
berbuat lebih banyak dengan lingkungan simulasi, sementara industri-industri
baru sekarang akan dapat memanfaatkan inovasi multiphysics simulasi.
4.1.1 Bentuk Geometri Ruangan dengan COMSOL Multiphysics
Pada pemodelan ini, mengkondisikan sebuah ruangan berbentuk balok dengan
ukuran 4x3x4 dalam meter, didalam ruangan terdapat dua buah AC yang
merupakan inlet dari geometri yang berbentuk persegi panjang berukuran
0.05x0.6 dalam meter, dan outlet berbentuk persegi berukuran 0,5x0,5 dalam
meter dan terdapat seorang manusia di dalam ruangan yang dimisalkan berbentuk
balok. Suhu dalam ruangan dikondisikan 309 K, suhu manusia dalam ruangan
tersebut 307 K, dan suhu AC mula-mula 293 K.
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah model ruangan yang dibuat dengan COMSOL Muliphysics 5.0
Gambar 4.1 Model ruangan pada COMSOL Multiphysics 5.0
4.1.2 Parameter dan Properti Pengoptimalan AC dengan COMSOL
Multiphysics
TABEL 4.1 Parameter pengoptimalan AC
PARAMETER
Nama
Ekspresi
Nilai
Deskripsi
T_h
36[degC]
309,15 K
Suhu tubuh manusia
T_amb
34[degC]
307,15 K
Suhu Ruangan
T_source
17[degC]
290,15 K
Suhu Air Conditioner
T_av
(T_amb+T_h+T_s
302,15 K
Suhu rata - rata
ource)/3
u_in
0,3[m/s]
0,3 m/s
Kecepatan udara
W_R
4[m]
4m
Width Room
D_R
3[m]
3m
Depth Room
H_R
4[m]
4m
Height Room
W_AC
60[cm]
0.6m
Air Conditioner Width
L_AC
5[cm]
0.05m
Air Conditioner Length
S_ot
50[cm]
0.5m
Side Outlet
Universitas Sumatera Utara
4.1.3 Material Pengoptimalan AC dengan COMSOL Multiphysics
Dalam pengoptimalan AC dengan COMSOL Multiphysics digunakan material Air
dengan properti nya sebagai berikut:
Tabel 4.2 Properti Pengoptimalan AC
Properti
Nilai
Kepadatan
1,127 Kg/m3
Viskositas Dinamik
1,983e-5 Pa.s
Tekanan konstanta kapasitas panas
1.005 J/(kg.K)
Konduktivitas termal
0.0271 W(m.K)
4.1.4 Mesh Pengoptimalan AC dengan COMSOL Multiphysics
Dengan data-data parameter diatas dimodelkan dan digambarkan mesh untuk
ruangan pengoptimalan AC dengan COMSOL.
Tabel 4.3 Statistika Mesh untuk ruangan AC
Properti
Nilai
Ukuran maksimum element
0,4
Ukuran minimum element
0.07
Rata-rata maksimum element
1.5
Faktor lengkungan
0.6
Resolusi dari bagian yang sempit
0.5
Universitas Sumatera Utara
Berikut gambar mesh ruangan dalam pengoptimalan AC
Gambar 4.2 Mesh ruangan
4.1.5 Distribusi Temperatur
Berikut gambar distribusi temperatur dalam ruangan yang terdapat dua AC
didalamnya.
Gambar 4.3 Kurva hubungan temperature dengan panjang lengkungan
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 16 oC
Dari Gambar 4.5 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua, temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20 oC. Temperature
ruangan rata-rata berwarna biru terang yang temperature nya berkisar antara 2426 oC. Temperature di permukaan ruangan lebih merah yang menunjukkan
temperature nya
lebih panas dibandingkan suhu ruangan berkisar 30-32 oC
dikarenakan radiasi matahari terhadap permukaan ruangan.
Gambar 4.6 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 17 oC
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 4.6 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua, temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20 oC. Temperature
ruangan rata-rata berwarna biru terang yang temperature nya 26 oC. Temperature
di permukaan ruangan lebih merah yang menunjukkan temperature nya lebih
panas dibandingkan suhu ruangan berkisar 30-32 oC dikarenakan radiasi matahari
terhadap permukaan ruangan.
Gambar 4.7 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 18 oC
Dari Gambar 4.7 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua sehingga temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20
o
C.
Temperature ruangan rata-rata berwarna kuning yang temperature nya berkisar
antara 26-28
o
C. Temperature di permukaan ruangan lebih merah yang
menunjukkan temperature nya lebih panas dibandingkan suhu ruangan berkisar
30-32 oC dikarenakan radiasi matahari terhadap permukaan ruangan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.8 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 20 oC
Dari Gambar 4.8 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua sehingga temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20
o
C.
Temperature ruangan rata-rata berwarna hijau yang temperature nya berkisar
antara 28-30
o
C. Temperature di permukaan ruangan lebih merah yang
menunjukkan temperature nya lebih panas dibandingkan suhu ruangan berkisar
32-34 oC dikarenakan radiasi matahari terhadap permukaan ruangan.
Universitas Sumatera Utara
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil simulasi dengan COMSOL menunjukkan bahwa terdapat hubungan
antara suhu inlet ( suhu awal AC ) dengan optimal nya temperatur pada
ruangan. Suhu inlet 20 oC lebih optimal dibandingkan dengan 16 oC, 17oC
dan 18 oC dengan suhu ruangan 28-30 oC.
5.2 Saran
Dalam penelitian ini penyelesaian persoalan pengoptimalan penggunaan AC
pada suatu ruangan dengan metode elemen hingga menggunakan software
COMSOL Multiphysics 5.0. Untuk penelitian selanjutnya disarankan untuk
menggunakan software yang lain seperti solidworks, ASYS.
Universitas Sumatera Utara
METODOLOGI PENELITIAN
3.1
Studi Pendahuluan
Langkah awal dalam penelitian ini adalah mencari dan mengumpulkan
sumbersumber seperti: buku, jurnal atau penelitian sebelumnya yang mendukung
penelitian.
3.2 Tahapan Analisis
3.2.1 Persamaan Differensial untuk Transfer Energi
Untuk kenyamanan ruangan tertentu, digunakan model perpindahan panas yang
teori dasar globalnya termasuk parameter, pengaturan dari konduksi panas,
konveksi dan radiasi dari permukaan ke lingkungan. Radiasi ke permukaan
digunakan metode bercahaya oleh refleksi baur dan bayangan. Dalam proses
perpindahan panas suatu fluida terjadi transfer energi. Transfer panas secara
konveksi diasosiasikan dengan pertukaran energi antara permukaan dengan fluida
di dekatnya. Sebagian besar situasi transfer energi yang penting sedikit banyak
selalu melibatkan pergerakan fluida. Berikut Persamaan Transfer Energi:
�. (−��� ) + ��� �. �� = �
dimana, �, �, �� , �� masing-masing mewakili sumber panas, kerapatan, kapasitas
tekanan konstan dan gradient suhu.
3.2.2 Aliran dalam ruangan Turbulent
Persamaan model aliran Turbulen dan tak mampu mampat adalah sebagai berikut.
�(�. ∇)� = ∇. [−�� + (� + � � )(∇� + (∇�)� )] + �
dimana � � adalah viskositas turbulen, � adalah viskositas dinamis, � adalah
tekanan, � adalah logaritma tingkat disipasi turbulen.
Universitas Sumatera Utara
3.2.3 Kondisi Batas
Untuk memecahkan persoalan Pengoptimalan AC dalam penelitian ini
diasumsikan jenis fluida ( udara )sebagai berikut:
A. Kondisi batas untuk persamaan turbulen
1. Kecepatan awal ditentukan,
2. Incompressible fluid (fluida tak mampu-mampat, konstan),
3. Simetri di permukaan ruangan,
4. Tekanan tetap pada outlet,
5. Fungsi dinding terletak pada dinding ruangan.
B. Kondisi batas untuk perpindahan panas
1. Temperatur tetap pada inlet,
2. Transportasi konveksi di dominasi pada dinding ruangan,
3. Simetri (isolasi termal) di permukaan ruangan,
4. Suhu ruangan dan manusia tetap.
3.2.4 Bagian Pengaturan Domain
Jenis material yang digunakan diambil dari material pustaka inbuilt di COMSOL
Multiphysics 5.0. Material yang digunakan untuk kedua domain adalah udara,
material dinding ruangan batu bata, dan material untuk manusia adalah kulit.
Bagian domain dari udara diidentifikasi dan diberikam sifat-sifat udara.
3.2.5 Meshing
Ada berbagai jenis meshing. Memilih mesh adalah murni intuitif. Meshing yang
digunakan untuk model ini adalah elemen tetrahedral dimana dilakukan
diskritisasi pada ruangan tiga dimensi pada elemen tersebut, kemudian dipilih
fungsi interpolasi untuk elemen tetrahedral tersebut,
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1. Elemen tetrahedral (Sumber: Rao, 2011)
3.2.6 Penyelesaian Masalah
Ada berbagai pemecahan masalah yang dapat dipilih dari COMSOL. Untuk
semua simulasi, otomatis memilih pemecahan yang digunakan, yang mana
mendeteksi jenis masalah yang dihadapi dan secara otomatis memilih
penyelesaian tepat yang terbaik untuk masalah yang diberikan. Penyelesaian yang
terdeteksi itu penyelesaian terpisah yang tak berubah dan sama dengan
penyelesaian yang digunakan di semua simulasi.
3.3
Simulasi Model dengan COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics adalah software untuk analisis elemen hingga. Dalam
penelitian ini akan dilihat distribusi temperatur terhadap ruangan yang di dalam
nya terdapat AC sebagai inlet (masuknya udara dingin), ruangan tersebut
dikondisikan memiliki ventilasi sebagai outlet (keluarnya udara), dan dalam
ruangan tersebut dimisalkan terdapat seorang manusia.
outlet
inlet
inlet
inlet
Universitas Sumatera Utara
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1
Simulasi Dengan Menggunakan COMSOL Multiphysics
COMSOL adalah software simulasi elemen hingga, yang pada dasarnya dapat
mensimulasikan apa pun yang diinginkan: mensimulasikan perpindahan panas
melalui struktur yang kompleks, kristal fotonik pada skala nano, lentur mekanik
balok, aliran cairan, proses elektrokimia, fisika plasma dan banyak lagi.
COMSOL Multiphysics 5.0 merupakan ekspansi yang signifikan dari aplikasi
software, fitur, dan fungsi. Versi 5.0 memberdayakan pengguna saat ini untuk
berbuat lebih banyak dengan lingkungan simulasi, sementara industri-industri
baru sekarang akan dapat memanfaatkan inovasi multiphysics simulasi.
4.1.1 Bentuk Geometri Ruangan dengan COMSOL Multiphysics
Pada pemodelan ini, mengkondisikan sebuah ruangan berbentuk balok dengan
ukuran 4x3x4 dalam meter, didalam ruangan terdapat dua buah AC yang
merupakan inlet dari geometri yang berbentuk persegi panjang berukuran
0.05x0.6 dalam meter, dan outlet berbentuk persegi berukuran 0,5x0,5 dalam
meter dan terdapat seorang manusia di dalam ruangan yang dimisalkan berbentuk
balok. Suhu dalam ruangan dikondisikan 309 K, suhu manusia dalam ruangan
tersebut 307 K, dan suhu AC mula-mula 293 K.
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah model ruangan yang dibuat dengan COMSOL Muliphysics 5.0
Gambar 4.1 Model ruangan pada COMSOL Multiphysics 5.0
4.1.2 Parameter dan Properti Pengoptimalan AC dengan COMSOL
Multiphysics
TABEL 4.1 Parameter pengoptimalan AC
PARAMETER
Nama
Ekspresi
Nilai
Deskripsi
T_h
36[degC]
309,15 K
Suhu tubuh manusia
T_amb
34[degC]
307,15 K
Suhu Ruangan
T_source
17[degC]
290,15 K
Suhu Air Conditioner
T_av
(T_amb+T_h+T_s
302,15 K
Suhu rata - rata
ource)/3
u_in
0,3[m/s]
0,3 m/s
Kecepatan udara
W_R
4[m]
4m
Width Room
D_R
3[m]
3m
Depth Room
H_R
4[m]
4m
Height Room
W_AC
60[cm]
0.6m
Air Conditioner Width
L_AC
5[cm]
0.05m
Air Conditioner Length
S_ot
50[cm]
0.5m
Side Outlet
Universitas Sumatera Utara
4.1.3 Material Pengoptimalan AC dengan COMSOL Multiphysics
Dalam pengoptimalan AC dengan COMSOL Multiphysics digunakan material Air
dengan properti nya sebagai berikut:
Tabel 4.2 Properti Pengoptimalan AC
Properti
Nilai
Kepadatan
1,127 Kg/m3
Viskositas Dinamik
1,983e-5 Pa.s
Tekanan konstanta kapasitas panas
1.005 J/(kg.K)
Konduktivitas termal
0.0271 W(m.K)
4.1.4 Mesh Pengoptimalan AC dengan COMSOL Multiphysics
Dengan data-data parameter diatas dimodelkan dan digambarkan mesh untuk
ruangan pengoptimalan AC dengan COMSOL.
Tabel 4.3 Statistika Mesh untuk ruangan AC
Properti
Nilai
Ukuran maksimum element
0,4
Ukuran minimum element
0.07
Rata-rata maksimum element
1.5
Faktor lengkungan
0.6
Resolusi dari bagian yang sempit
0.5
Universitas Sumatera Utara
Berikut gambar mesh ruangan dalam pengoptimalan AC
Gambar 4.2 Mesh ruangan
4.1.5 Distribusi Temperatur
Berikut gambar distribusi temperatur dalam ruangan yang terdapat dua AC
didalamnya.
Gambar 4.3 Kurva hubungan temperature dengan panjang lengkungan
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 16 oC
Dari Gambar 4.5 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua, temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20 oC. Temperature
ruangan rata-rata berwarna biru terang yang temperature nya berkisar antara 2426 oC. Temperature di permukaan ruangan lebih merah yang menunjukkan
temperature nya
lebih panas dibandingkan suhu ruangan berkisar 30-32 oC
dikarenakan radiasi matahari terhadap permukaan ruangan.
Gambar 4.6 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 17 oC
Universitas Sumatera Utara
Dari Gambar 4.6 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua, temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20 oC. Temperature
ruangan rata-rata berwarna biru terang yang temperature nya 26 oC. Temperature
di permukaan ruangan lebih merah yang menunjukkan temperature nya lebih
panas dibandingkan suhu ruangan berkisar 30-32 oC dikarenakan radiasi matahari
terhadap permukaan ruangan.
Gambar 4.7 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 18 oC
Dari Gambar 4.7 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua sehingga temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20
o
C.
Temperature ruangan rata-rata berwarna kuning yang temperature nya berkisar
antara 26-28
o
C. Temperature di permukaan ruangan lebih merah yang
menunjukkan temperature nya lebih panas dibandingkan suhu ruangan berkisar
30-32 oC dikarenakan radiasi matahari terhadap permukaan ruangan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.8 Distribusi Temperatur Ruangan dengan suhu inlet 20 oC
Dari Gambar 4.8 menunjukkan suhu ruangan di dekat AC berwarna biru
tua sehingga temperature nya lebih dingin dengan suhu dibawah 20
o
C.
Temperature ruangan rata-rata berwarna hijau yang temperature nya berkisar
antara 28-30
o
C. Temperature di permukaan ruangan lebih merah yang
menunjukkan temperature nya lebih panas dibandingkan suhu ruangan berkisar
32-34 oC dikarenakan radiasi matahari terhadap permukaan ruangan.
Universitas Sumatera Utara
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil simulasi dengan COMSOL menunjukkan bahwa terdapat hubungan
antara suhu inlet ( suhu awal AC ) dengan optimal nya temperatur pada
ruangan. Suhu inlet 20 oC lebih optimal dibandingkan dengan 16 oC, 17oC
dan 18 oC dengan suhu ruangan 28-30 oC.
5.2 Saran
Dalam penelitian ini penyelesaian persoalan pengoptimalan penggunaan AC
pada suatu ruangan dengan metode elemen hingga menggunakan software
COMSOL Multiphysics 5.0. Untuk penelitian selanjutnya disarankan untuk
menggunakan software yang lain seperti solidworks, ASYS.
Universitas Sumatera Utara