TUGAS AKHIR UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUMAH Uji Karakteristik Hipotesis Bangunan Rumah Tinggal yang Memanfaatkan Pendinginan Evaporasi dengan Computational Fluids Dynamics (CFD).
TUGAS AKHIR
UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUMAH
TINGGAL YANG MEMANFAATKAN PENDINGINAN EVAPORASI
DENGAN COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAMICS (CFD)
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
RISKI YOGA NANDA
NIM : D.200.120.054
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR
judul
Saya meryatakan dengan Eesungguhnya bahwa Tugas Akhir dengan
"UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUTAH
TINGGAL
YANG TEIANFAATKAT.I PENDIIIIGINAN EVAPORASI DENGAN
COITPUTAilONAL FLUTDS DYNAfrtCS (CFD)' yang dibuat untuk
memenuhi sebagai syarat memperoleh deraiat sariana S1 pada Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Univercitas Muhammadiyah Surakarta,
sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari
skripsi yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk
mendapatkan gelar kesarianaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah
Surakarta atau instransi manapun, kecuali bagian yang informasinya saya
cantumkan sebagaimana mestinYa.
Surakarta, 21 November 2016
Yang menyatakan
RISKI YOGA NANDA
D200120054
HALAiiAN PERSETUJUAN
Trryas Akhir ini befiudul "UJl KARAKTERISTIK HIPOTESIS BAIIGUNAN
RUTAH TINGGAL YANG TETAilFAATKAN
PENDINGITTAN
EVAFORASI DEIiIGAN CONPUTANONAL FLU'DS Dy't,Aff/ICS(CFD)",
telah disetuiui oleh Pembimbing untuk rnemenuhi sebagai persyaratan
memperoleh deraiat Sariana (Strata 1) Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan
Nama
NIM
oleh
:
: RiskiYoga Nanda
: D.2@.120.054
Disetuiui.pada
Hari
Tanggal
, *u*'o\
:
N losemht
ar|.O
.
(lr. H. Sariito.
t.T..
Ph.D.)
[]
HALAIIAN PENGESAHAN
Tugas Akhir ini berjudul "UJl KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN
RUMAH TINGGAL YANG MEMANFAATKAN
PENDINGINAN
EVAPORAST DENGAN COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAmiCS(CFD)",
telah dipertahankan dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Univercitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh
Nama
NIM
:
: RiskiYoga Nanda
: D.200.120.054
Disetujuipada
Hari
3*t L
Tanggal
Tim Penguji
Ketua
Anggota 1
Anggota 2
: lr. H. Sariito,
il.T, Ph.D
: lr. Sunardi llYiyono,
:
il.T.
lr. Pramuko llmu Purboputro, ltr.T
Mengetahui,
Ketua Jurusan
l*
(Tri Widodo BR. ST. IllSc. Ph.D)
tv
v
MOTTO
“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.
Sesungguhnya Sesudah kesulitan itu ada kemudahan”
(Alam Nasyroh 5-6)
“Hai orang – orang yang beriman, jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai
penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang – orang yang sabar”
(Al-Baqarah : 153)
Jangan terlalu memikirkan hasil, yang terpenting ialah kerja keras dan
berdoa, Ikhtiar dan tawakal, anggap hasil baik adalah bonus dari kerja
keras dan doa kita, jikalau hasil buruk mungkin ini jalan terbaik dari-Nya
(Penulis)
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan
syukur dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi,
setelah melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal
lelah, Saya mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada :
Bapak dan ibu tercinta yang dengan segala kasih sayang,
kesabaran,
keikhlasan
dan
pengorbanannya
senantiasa
membimbing dan mendo’akanku.
Adik tercinta Yanuba nurmalinda, Meila Friska Alimda, nining
Wahyuningsih dan dik Ayu Dwi Hastuti yang selalu memotivasi,
mendo’akan dan mencairkan suasana sehingga terasa lebih
ringan proses skripsiku.
Teman-teman
Teknik
mesin
angkatan
2012
yang
selalu
menyemangati dan hadir seperti keluarga.
Teman seperjuangan mahasiswa bimbingan Bapak Ir. Sarjito,
MT., Ph.D yang selalu saling membantu dan berjuang bersama.
Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin
yang telah membimbing saya didalam perkuliahan.
Bapak Dosen pembimbing akedemik Ir. Bibit Sugito, MT. Bapak
Dosen pembimbing utama tugas akhir Ir. Sarjito, MT., Ph.D.
Saya berterima kasih atas pengarahan dan bimbingannya yang
telah banyak saya terima selama berada di Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
vii
UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUMAH TINGGAL
YANG MEMANFAATKAN PENDINGINAN EVAPORASI DENGAN
COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAMICS (CFD)
Riski Yoga Nanda dan Sarjito
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura
Email : riskiyogananda22@gmail.com
ABSTRAK
Pengkondisian udara di dalam rumah tinggal sangat diperlukan untuk
memperoleh kenyaman thermal, terutama di daerah perkotaan yang
memiliki masalah keterbatasan lahan. Salah satu alternatif pengondisian
udara ruangan yang ramah lingkungan untuk mengurangi penggunaan AC
adalah pendinginan evaporasi.. Penelitian ini bertujuan untuk menguji
karakteristik pengondisian udara rumah tinggal yang memanfaatkan
pendinginan evaporasi menggunakan Computational fluids dynamics
(CFD).
Penelitian dilakukan dengan menggambarkan 3 waktu yang berbeda
yaitu 09.00-10.00(pagi), 12.00-13.00(siang) dan 19.00-20.00(malam)
dengan karakteristik udara masuk yang berbeda. Uji karakteristik udara
dilakukan dengan mengukur kecepatan angin, kelembaban relatif(RH) dan
temperatur pada 28 Posisi Ukur (PU), dimana PU tersebut tersebar di 3
tempat, yaitu (1) di jalan depan rumah; (2) di interior ; dan (3) di eksterior.
Pengukuran dilakukan dengan membuat plane berbentuk persegi
berukuran 2x2m dengan tinggi 1,5 m diatas lantai untuk 28 PU.
Hasil simulasi CFD menunjukkan bahwa efek pendinginan evaporasi
terasa di lantai 1 dengan penurunan temperatur rata-rata 1,5 oC dari
temperatur lingkungan dan kenaikan RH 6,75 % dari RH lingkungan.
Sedangkan ventilasi vertikal bekerja efektif dalam mendukung sirkulasi
udara di dalam rumah tinggal. Pergerakan angin dapat dirasakan di seluruh
ruangan dengan kecepatan rata-rata mencapai 0,175 m/s.
Kata kunci : Kenyamanan Thermal, Pendinginan Evaporasi, CFD
viii
ABSTRACT
Air conditioning in housing is required to obtain thermal comfort zone,
especially at urban areas that have problems with the limitations of land.
One of alternative room air conditioning (AC) that environmently-friendly to
reduce refrigeration system is evaporative cooling system. The aim of the
research is to investigate characteristic of air conditioning inside the house
wich utilize evaporative cooling system using Computational fluids
dynamics (CFD ).
The research was done by describing 3 different times which are 09.0010.00 (in the morning), 12.00-13.00 (at noon) and 19.00-20.00 (at night)
with incoming air in different properties. The air characteristic test was done
by measuring velocity of the wind, relative humidity (RH) and temperatures
at 28 positions of measurement cup (PU), where PU were spreaded at 3
places, (1) in front of the house; (2) at the interior; and (3) at the exterior.
The measurement was conducted by making square plane of 2x2m with
high of 1.5 m above floor of 28 PU.
CFD simulation results showed that the cooling effect evaporative felt
on the 1st floor with the average temperature reduction of 1.5 oC from the
ambient temperature and increase RH of 6.75 % from ambient RH. While
the vertical ventilation work effectively in supporting air circulation. The
movement of the wind can be felt throughout the house with the average
velocity of 0,175 m/s.
Key Words : Comfort zone, Evaporative cooling, CFD
ix
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat
dan karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga
Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan
penuh keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
3. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I yang
telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Dr. Qomarun yang telah senantiasa membimbing dalam
mengumpulkan data dan memberi masukan dalam proses
desain rumah tinggal.
5. Bapak Ir. Bibit Sugito, MT. selaku Pembimbing Akademik.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staff Tata Usaha Fakultas
x
Teknik
7.
lbu tercinta dan teristimewa yang senantiasa selalu mencintai,
menyayangi, memberikan dukungan, menenangkan hati dan
mendo'akan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
8.
Bapak tercinta yang
telah
memberikan kasih
sayang,
mendidik dan memberikan pendidikan akan hidup kepada
penulis.
9. Teman angkatan 2012 yang sudah banyak membantu
saya dan mendukung saya dalam pekuliahan selama di
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika
sekiranya terdapat kesalahan
dan kekurangan dalam
penulisan
Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatiasan
antara lain waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang
penulis miliki. Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk
pembaca.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi
penulis dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.
Surakarta, 21 November 2016
M
xt
DAFTAR ISI
Halaman judul ......................................................................................
i
Halaman Pernyataan Keaslian Tugas Akhir ........................................
ii
Halaman Persetujuan ..........................................................................
iii
Halaman Pengesahan .........................................................................
iv
Lembar Soal Tugas Akhir ....................................................................
v
Halaman Motto.....................................................................................
vi
Halaman Persembahan .......................................................................
vii
Abstrak ................................................................................................. viii
Kata Pengantar ....................................................................................
x
Daftar Isi ..............................................................................................
xii
Daftar Gambar ..................................................................................... xiv
Daftar Tabel .........................................................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ...................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah...........................................................
3
1.3 Batasan Masalah dan Asumsi ............................................
3
1.4 Tujuan Penelitian ................................................................
5
1.5 Manfaat Penelitian ..............................................................
5
1.6 Sistematika Penulisan ........................................................
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................
7
2.2 Dasar teori .......................................................................... 10
2.2.1. Pengondisian udara ........................................................ 10
xii
2.2.2. Sistem refrigerasi ............................................................ 14
2.2.3. Pendinginan evaporasi ................................................... 19
2.2.4. Psikometrik .................................................................... 23
2.2.5. Karakteristik angin dan aliran fluida ................................ 27
2.2.6. Computational Fluids Dinamics (CFD) ........................... 36
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ...................................................... 41
3.2 Metodologi Penelitian ........................................................ 42
3.3 Langkah-Langkah Simulasi pendidikan Evaporasi rumah
tinggal yang dilengkapi ventilasi vertical dan cerobong
vertical dengan Computational Fluid Dynamic (CFD) ......... 43
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Simulasi dan Pembahasan....................................... 52
4.2 Visualisasi Kontur Kecepatan Angin, Kelembaban Relatif
Dan Temperatur di Dalam Rumah Tinggal ........................ 57
4.3 Diagram Psikometrik dan Comfort Zone ........................... 64
4.4 Studi Variasi Arah Angin untuk Mendapatkan Sirkulasi
Udara dalam Rumah Tinggal yang Paling Optimal ........... 67
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ...................................................................... 70
5.2 Saran ................................................................................ 72
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................. 73
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1
Diagram daerah nyaman ................................................
11
2.2
Perpindahan panas konduksi .........................................
13
2.3
a. paksa b. bebas c. kondensasi d. boiling .....................
14
2.4
Skema siklus kompresi uap............................................
16
2.5
Diagram T-s dan P – h Siklus Kompresi Uap .................
17
2.6
Diagram psikometrik .....................................................
23
2.7
Aliran angin yang Terpengaruh Kontur ..........................
29
2.8
Topoggrafi ......................................................................
29
2.9
Jenis-jenis aliran fluida ...................................................
31
2.10
Lapisan batas disepanjang plat datar .............................
35
2.11
Separasi aliran yang terjadi pada silinder ......................
35
3.1
Diagram alir penelitian ...................................................
41
3.2
Posisi
Pengukuran
Suhu,
Kecepatan
Udara
dan
kelembaban eksperimen ................................................
43
3.3
Pembuatan Geometri Rumah Tinggal ............................
44
3.4
Penampang Rumah Sket (autocad) dan 3 dimensi ........
45
3.5
Hasil import pada producing geometry ...........................
45
3.6
Computational Domain ...................................................
45
3.7
Hasil Meshing.................................................................
46
3.8
Letak kondisi batas domain ............................................
49
3.9
Expression .....................................................................
49
xiv
3.10
particle injection detail (kiri) dan poisi water spray 1,25 m
di bawah lantai dasar (kanan) ........................................
50
3.11
Proses Solver manager (kanan).....................................
51
3.12
Contoh Function Calculator (kiri) dan plot kontur velocity
(kanan) hasil simulasi software CFX-Post. ....................
51
4.1
Grafik kecepatan angin eksperimen ...............................
52
4.2
Grafik kelembaban relative eksperimen .........................
52
4.3
Grafik temperature eksperimen ......................................
53
4.4
Posisi pengukuran simulasi ............................................
54
4.5
Grafik kecepatan angin simulasi ....................................
55
4.6
Grafik kelembaban relatif simulasi .................................
56
4.7
Grafik temperatur simulasi .............................................
56
4.8
Kontur kecepatan di lantai 1 pada pada ketinggian 1,5 m
diatas lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b),
19.00-20.00 (c) ...............................................................
4.9
57
Kontur RH di lantai 1 pada ketinggian 1,5 m diatas lantai
pada pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.10
58
Temperatur di lantai 1 pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.11
59
Kontur kecepatan di lantai 2 pada pada ketinggian 1,5 m
diatas lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b),
19.00-20.00 (c) ...............................................................
xv
59
4.12
Kontur RH di lantai 2
pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.13
60
Temperatur di lantai 2 pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.14
61
Kontur kecepatan di lantai 3 pada pada ketinggian 1,5 m
diatas lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b),
19.00-20.00 (c) ...............................................................
4.15
62
Kontur RH di lantai 3 pada pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.16
63
Temperatur di lantai 3 pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul
09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.00-
20.00 (c) .........................................................................
63
4.17
Proses pendinginan evaporasi .......................................
64
4.18
Diagram psikometrik pendinginan evaporasi pada waktu
simulasi 09.00-10.00, 12.00-13.00, 19.00-20.00 ............
65
4.19
Diagram daerah nyaman (comfort zone) .........................
66
4.20
Variasi arah angin 90o, 120o, 150o, 180o, 210o dan 240o
67
4.21
Kecepatan simulasi pada variasi arah angin 90o, 120o,
150o, 180o, 210o dan 240 o ............................................
68
4.22
Perbandingan kecepatan rata-rata tiap lantai.................
69
4.23
Perbandingan kecepatan rata-rata seluruh ruangan ......
69
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1
Harga Alpha ...................................................................
28
3.1
Tingkat kelembutan Mesh ..............................................
46
3.2
Pengaturan inflation pada proses mesh .........................
47
3.3
Kondisi batas simulasi ....................................................
48
xvii
UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUMAH
TINGGAL YANG MEMANFAATKAN PENDINGINAN EVAPORASI
DENGAN COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAMICS (CFD)
Disusun Sebagai Syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh :
RISKI YOGA NANDA
NIM : D.200.120.054
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2016
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR
judul
Saya meryatakan dengan Eesungguhnya bahwa Tugas Akhir dengan
"UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUTAH
TINGGAL
YANG TEIANFAATKAT.I PENDIIIIGINAN EVAPORASI DENGAN
COITPUTAilONAL FLUTDS DYNAfrtCS (CFD)' yang dibuat untuk
memenuhi sebagai syarat memperoleh deraiat sariana S1 pada Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Univercitas Muhammadiyah Surakarta,
sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari
skripsi yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk
mendapatkan gelar kesarianaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah
Surakarta atau instransi manapun, kecuali bagian yang informasinya saya
cantumkan sebagaimana mestinYa.
Surakarta, 21 November 2016
Yang menyatakan
RISKI YOGA NANDA
D200120054
HALAiiAN PERSETUJUAN
Trryas Akhir ini befiudul "UJl KARAKTERISTIK HIPOTESIS BAIIGUNAN
RUTAH TINGGAL YANG TETAilFAATKAN
PENDINGITTAN
EVAFORASI DEIiIGAN CONPUTANONAL FLU'DS Dy't,Aff/ICS(CFD)",
telah disetuiui oleh Pembimbing untuk rnemenuhi sebagai persyaratan
memperoleh deraiat Sariana (Strata 1) Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan
Nama
NIM
oleh
:
: RiskiYoga Nanda
: D.2@.120.054
Disetuiui.pada
Hari
Tanggal
, *u*'o\
:
N losemht
ar|.O
.
(lr. H. Sariito.
t.T..
Ph.D.)
[]
HALAIIAN PENGESAHAN
Tugas Akhir ini berjudul "UJl KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN
RUMAH TINGGAL YANG MEMANFAATKAN
PENDINGINAN
EVAPORAST DENGAN COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAmiCS(CFD)",
telah dipertahankan dihadapan dewan penguji dan disahkan sebagai syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Univercitas
Muhammadiyah Surakarta.
Dipersiapkan oleh
Nama
NIM
:
: RiskiYoga Nanda
: D.200.120.054
Disetujuipada
Hari
3*t L
Tanggal
Tim Penguji
Ketua
Anggota 1
Anggota 2
: lr. H. Sariito,
il.T, Ph.D
: lr. Sunardi llYiyono,
:
il.T.
lr. Pramuko llmu Purboputro, ltr.T
Mengetahui,
Ketua Jurusan
l*
(Tri Widodo BR. ST. IllSc. Ph.D)
tv
v
MOTTO
“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.
Sesungguhnya Sesudah kesulitan itu ada kemudahan”
(Alam Nasyroh 5-6)
“Hai orang – orang yang beriman, jadikanlah sabar dan sholatmu sebagai
penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang – orang yang sabar”
(Al-Baqarah : 153)
Jangan terlalu memikirkan hasil, yang terpenting ialah kerja keras dan
berdoa, Ikhtiar dan tawakal, anggap hasil baik adalah bonus dari kerja
keras dan doa kita, jikalau hasil buruk mungkin ini jalan terbaik dari-Nya
(Penulis)
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh harap ridho Allah SWT, teriring perasaan
syukur dan sabar yang mendalam serta penghargaan yang tinggi,
setelah melewati berbagai ujian dalam perjuangan yang tak kenal
lelah, Saya mempersembahkan Tugas Akhir ini kepada :
Bapak dan ibu tercinta yang dengan segala kasih sayang,
kesabaran,
keikhlasan
dan
pengorbanannya
senantiasa
membimbing dan mendo’akanku.
Adik tercinta Yanuba nurmalinda, Meila Friska Alimda, nining
Wahyuningsih dan dik Ayu Dwi Hastuti yang selalu memotivasi,
mendo’akan dan mencairkan suasana sehingga terasa lebih
ringan proses skripsiku.
Teman-teman
Teknik
mesin
angkatan
2012
yang
selalu
menyemangati dan hadir seperti keluarga.
Teman seperjuangan mahasiswa bimbingan Bapak Ir. Sarjito,
MT., Ph.D yang selalu saling membantu dan berjuang bersama.
Dosen Universitas Muhammadiyah Surakarta Teknik Mesin
yang telah membimbing saya didalam perkuliahan.
Bapak Dosen pembimbing akedemik Ir. Bibit Sugito, MT. Bapak
Dosen pembimbing utama tugas akhir Ir. Sarjito, MT., Ph.D.
Saya berterima kasih atas pengarahan dan bimbingannya yang
telah banyak saya terima selama berada di Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
vii
UJI KARAKTERISTIK HIPOTESIS BANGUNAN RUMAH TINGGAL
YANG MEMANFAATKAN PENDINGINAN EVAPORASI DENGAN
COMPUTATIONAL FLUIDS DYNAMICS (CFD)
Riski Yoga Nanda dan Sarjito
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta
Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura
Email : riskiyogananda22@gmail.com
ABSTRAK
Pengkondisian udara di dalam rumah tinggal sangat diperlukan untuk
memperoleh kenyaman thermal, terutama di daerah perkotaan yang
memiliki masalah keterbatasan lahan. Salah satu alternatif pengondisian
udara ruangan yang ramah lingkungan untuk mengurangi penggunaan AC
adalah pendinginan evaporasi.. Penelitian ini bertujuan untuk menguji
karakteristik pengondisian udara rumah tinggal yang memanfaatkan
pendinginan evaporasi menggunakan Computational fluids dynamics
(CFD).
Penelitian dilakukan dengan menggambarkan 3 waktu yang berbeda
yaitu 09.00-10.00(pagi), 12.00-13.00(siang) dan 19.00-20.00(malam)
dengan karakteristik udara masuk yang berbeda. Uji karakteristik udara
dilakukan dengan mengukur kecepatan angin, kelembaban relatif(RH) dan
temperatur pada 28 Posisi Ukur (PU), dimana PU tersebut tersebar di 3
tempat, yaitu (1) di jalan depan rumah; (2) di interior ; dan (3) di eksterior.
Pengukuran dilakukan dengan membuat plane berbentuk persegi
berukuran 2x2m dengan tinggi 1,5 m diatas lantai untuk 28 PU.
Hasil simulasi CFD menunjukkan bahwa efek pendinginan evaporasi
terasa di lantai 1 dengan penurunan temperatur rata-rata 1,5 oC dari
temperatur lingkungan dan kenaikan RH 6,75 % dari RH lingkungan.
Sedangkan ventilasi vertikal bekerja efektif dalam mendukung sirkulasi
udara di dalam rumah tinggal. Pergerakan angin dapat dirasakan di seluruh
ruangan dengan kecepatan rata-rata mencapai 0,175 m/s.
Kata kunci : Kenyamanan Thermal, Pendinginan Evaporasi, CFD
viii
ABSTRACT
Air conditioning in housing is required to obtain thermal comfort zone,
especially at urban areas that have problems with the limitations of land.
One of alternative room air conditioning (AC) that environmently-friendly to
reduce refrigeration system is evaporative cooling system. The aim of the
research is to investigate characteristic of air conditioning inside the house
wich utilize evaporative cooling system using Computational fluids
dynamics (CFD ).
The research was done by describing 3 different times which are 09.0010.00 (in the morning), 12.00-13.00 (at noon) and 19.00-20.00 (at night)
with incoming air in different properties. The air characteristic test was done
by measuring velocity of the wind, relative humidity (RH) and temperatures
at 28 positions of measurement cup (PU), where PU were spreaded at 3
places, (1) in front of the house; (2) at the interior; and (3) at the exterior.
The measurement was conducted by making square plane of 2x2m with
high of 1.5 m above floor of 28 PU.
CFD simulation results showed that the cooling effect evaporative felt
on the 1st floor with the average temperature reduction of 1.5 oC from the
ambient temperature and increase RH of 6.75 % from ambient RH. While
the vertical ventilation work effectively in supporting air circulation. The
movement of the wind can be felt throughout the house with the average
velocity of 0,175 m/s.
Key Words : Comfort zone, Evaporative cooling, CFD
ix
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat
dan karunia- Nya yang telah terlimpahkan kepada penulis, sehingga
Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik.
Adapun Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi persyaratan
Sidang Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat
bantuan dari berbagai pihak, pada kesempatan ini, penulis dengan
penuh keikhlasan hati ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. H. Sri Sunarjono MT. Ph.D selaku Dekan Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
2. Bapak Tri Widodo BR. ST. MSc., Ph.D selaku Ketua Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta.
3. Bapak Ir. Sarjito, MT., Ph.D. selaku Dosen Pembimbing I yang
telah membimbing, mengarahkan, memberi petunjuk dalam
penyusunan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Dr. Qomarun yang telah senantiasa membimbing dalam
mengumpulkan data dan memberi masukan dalam proses
desain rumah tinggal.
5. Bapak Ir. Bibit Sugito, MT. selaku Pembimbing Akademik.
6. Dosen jurusan Teknik Mesin beserta Staff Tata Usaha Fakultas
x
Teknik
7.
lbu tercinta dan teristimewa yang senantiasa selalu mencintai,
menyayangi, memberikan dukungan, menenangkan hati dan
mendo'akan penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
8.
Bapak tercinta yang
telah
memberikan kasih
sayang,
mendidik dan memberikan pendidikan akan hidup kepada
penulis.
9. Teman angkatan 2012 yang sudah banyak membantu
saya dan mendukung saya dalam pekuliahan selama di
Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Akhir kata, penulis mohon maaf sebelum dan sesudahnya, jika
sekiranya terdapat kesalahan
dan kekurangan dalam
penulisan
Tugas Akhir ini, yang disebabkan adanya keterbatasan-keterbatiasan
antara lain waktu, dana, literatur yang ada, dan pengetahuan yang
penulis miliki. Harapan penulis semoga laporan ini bermanfaat untuk
pembaca.
Tugas Akhir ini semoga dapat bermanfaat khususnya bagi
penulis dan pihak lain yang membutuhkan, Amin ya Robbaallamin.
Surakarta, 21 November 2016
M
xt
DAFTAR ISI
Halaman judul ......................................................................................
i
Halaman Pernyataan Keaslian Tugas Akhir ........................................
ii
Halaman Persetujuan ..........................................................................
iii
Halaman Pengesahan .........................................................................
iv
Lembar Soal Tugas Akhir ....................................................................
v
Halaman Motto.....................................................................................
vi
Halaman Persembahan .......................................................................
vii
Abstrak ................................................................................................. viii
Kata Pengantar ....................................................................................
x
Daftar Isi ..............................................................................................
xii
Daftar Gambar ..................................................................................... xiv
Daftar Tabel .........................................................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ...................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah...........................................................
3
1.3 Batasan Masalah dan Asumsi ............................................
3
1.4 Tujuan Penelitian ................................................................
5
1.5 Manfaat Penelitian ..............................................................
5
1.6 Sistematika Penulisan ........................................................
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................
7
2.2 Dasar teori .......................................................................... 10
2.2.1. Pengondisian udara ........................................................ 10
xii
2.2.2. Sistem refrigerasi ............................................................ 14
2.2.3. Pendinginan evaporasi ................................................... 19
2.2.4. Psikometrik .................................................................... 23
2.2.5. Karakteristik angin dan aliran fluida ................................ 27
2.2.6. Computational Fluids Dinamics (CFD) ........................... 36
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian ...................................................... 41
3.2 Metodologi Penelitian ........................................................ 42
3.3 Langkah-Langkah Simulasi pendidikan Evaporasi rumah
tinggal yang dilengkapi ventilasi vertical dan cerobong
vertical dengan Computational Fluid Dynamic (CFD) ......... 43
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Simulasi dan Pembahasan....................................... 52
4.2 Visualisasi Kontur Kecepatan Angin, Kelembaban Relatif
Dan Temperatur di Dalam Rumah Tinggal ........................ 57
4.3 Diagram Psikometrik dan Comfort Zone ........................... 64
4.4 Studi Variasi Arah Angin untuk Mendapatkan Sirkulasi
Udara dalam Rumah Tinggal yang Paling Optimal ........... 67
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ...................................................................... 70
5.2 Saran ................................................................................ 72
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................. 73
LAMPIRAN
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1
Diagram daerah nyaman ................................................
11
2.2
Perpindahan panas konduksi .........................................
13
2.3
a. paksa b. bebas c. kondensasi d. boiling .....................
14
2.4
Skema siklus kompresi uap............................................
16
2.5
Diagram T-s dan P – h Siklus Kompresi Uap .................
17
2.6
Diagram psikometrik .....................................................
23
2.7
Aliran angin yang Terpengaruh Kontur ..........................
29
2.8
Topoggrafi ......................................................................
29
2.9
Jenis-jenis aliran fluida ...................................................
31
2.10
Lapisan batas disepanjang plat datar .............................
35
2.11
Separasi aliran yang terjadi pada silinder ......................
35
3.1
Diagram alir penelitian ...................................................
41
3.2
Posisi
Pengukuran
Suhu,
Kecepatan
Udara
dan
kelembaban eksperimen ................................................
43
3.3
Pembuatan Geometri Rumah Tinggal ............................
44
3.4
Penampang Rumah Sket (autocad) dan 3 dimensi ........
45
3.5
Hasil import pada producing geometry ...........................
45
3.6
Computational Domain ...................................................
45
3.7
Hasil Meshing.................................................................
46
3.8
Letak kondisi batas domain ............................................
49
3.9
Expression .....................................................................
49
xiv
3.10
particle injection detail (kiri) dan poisi water spray 1,25 m
di bawah lantai dasar (kanan) ........................................
50
3.11
Proses Solver manager (kanan).....................................
51
3.12
Contoh Function Calculator (kiri) dan plot kontur velocity
(kanan) hasil simulasi software CFX-Post. ....................
51
4.1
Grafik kecepatan angin eksperimen ...............................
52
4.2
Grafik kelembaban relative eksperimen .........................
52
4.3
Grafik temperature eksperimen ......................................
53
4.4
Posisi pengukuran simulasi ............................................
54
4.5
Grafik kecepatan angin simulasi ....................................
55
4.6
Grafik kelembaban relatif simulasi .................................
56
4.7
Grafik temperatur simulasi .............................................
56
4.8
Kontur kecepatan di lantai 1 pada pada ketinggian 1,5 m
diatas lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b),
19.00-20.00 (c) ...............................................................
4.9
57
Kontur RH di lantai 1 pada ketinggian 1,5 m diatas lantai
pada pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.10
58
Temperatur di lantai 1 pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.11
59
Kontur kecepatan di lantai 2 pada pada ketinggian 1,5 m
diatas lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b),
19.00-20.00 (c) ...............................................................
xv
59
4.12
Kontur RH di lantai 2
pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.13
60
Temperatur di lantai 2 pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.14
61
Kontur kecepatan di lantai 3 pada pada ketinggian 1,5 m
diatas lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b),
19.00-20.00 (c) ...............................................................
4.15
62
Kontur RH di lantai 3 pada pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul 09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.0020.00 (c) .........................................................................
4.16
63
Temperatur di lantai 3 pada ketinggian 1,5 m diatas
lantai pukul
09.00-10.00 (a), 12.00-13.00 (b), 19.00-
20.00 (c) .........................................................................
63
4.17
Proses pendinginan evaporasi .......................................
64
4.18
Diagram psikometrik pendinginan evaporasi pada waktu
simulasi 09.00-10.00, 12.00-13.00, 19.00-20.00 ............
65
4.19
Diagram daerah nyaman (comfort zone) .........................
66
4.20
Variasi arah angin 90o, 120o, 150o, 180o, 210o dan 240o
67
4.21
Kecepatan simulasi pada variasi arah angin 90o, 120o,
150o, 180o, 210o dan 240 o ............................................
68
4.22
Perbandingan kecepatan rata-rata tiap lantai.................
69
4.23
Perbandingan kecepatan rata-rata seluruh ruangan ......
69
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1
Harga Alpha ...................................................................
28
3.1
Tingkat kelembutan Mesh ..............................................
46
3.2
Pengaturan inflation pada proses mesh .........................
47
3.3
Kondisi batas simulasi ....................................................
48
xvii