A.
Judul
“Simulasi dan Analisis Konsep Sistem
Ventilasi Alami KATILIS : Kamar Tidur
Minimalis”
B.
Latar
Belakang Masalah
Desain ruangan merupakan hal yang
memerlukan banyak faktor untuk dipertimbangkan demi mendapatkan kenyamanan dan
tercipta ruangan yang sehat bagi penghuninya. Konsep desain ruangan yang
memerlukan kenyamanan dan kondisi yang sehat adalah ruangan tempat tidur.
Karena didalam kamar tidur kita menghabiskan waktu untuk beristirahat dan untuk
membuat waktu istirahat kita menjadi nyaman dan efektif adalah dengan suasana
ruangan yang sehat.
Kamar yang sehat adalah kamar yang mampu
memberikan rasa nyaman bagi penghuninya dengan kondisi aliran sirkulasi udara
yang baik, salah satunya dengan adanya sistem ventilasi yang baik sehingga
didalam kamar tersebut terjadi sirkulasi udara yang kontinyu karena dengan
adanya sirkulasi udara tersebut, kebutuhan akan udara segar (fresh air) di
dalam ruangan akan dapat tercukupi. Selain itu sistem ventilasi juga dapat
mengurangi kelembaban udara (humidity) karena akumulasi karbondioksida dan
beban panas (head load) yang ditimbulkan dari barang-barang didalam ruangan
seperti alat-alat elektronik, disamping itu sistem ventilasi berfungsi menjaga
temperatur ruangan tetap pada kondisi yang nyaman sedikit dibawah temperatur luar
ruangan.
Pada daerah tropis dan juga dikota-kota
besar temperatur udara luar cukup tinggi dengan suhu rata-rata mencapai sekitar
30-33°C pada siang hari, selain itu juga kondisi udara tidaklah sehat karena
sudah semakin banyak polusi udara dari gas buang kendaraan bermotor dan juga
partikel-partikel debu banyak membawa bibit penyakit yang dapat mempengaruhi
kesehatan manusia.
Untuk memperoleh kondisi ruangan yang
nyaman dapat ditentukan dari faktor sirkulasi udara yang masuk dan juga yang
keluar. Sirkulasi udara yang masuk sebaiknya memiliki kecepatan tertentu
sehingga mampu mengalirkan udara secara optimal didalam ruangan. Selain itu
juga penyerapan panas dari luar ruangan melalui dinding harus dibatasi sehingga
temperatur ruangan tetap terjaga.
Hal inilah yang melatarbelakangi
pembuatan suatu sistem ventilasi alami untuk ruang kamar tidur minimalis untuk
kapasitas 3 orang dengan ruang tidur di bagian depan dilengkapi dapur dan dua
kamar mandi di bagian belakang. Kamar tidur ini merupakan konsep untuk tempat
tinggal di daerah perkotaan dengan lahan terbatas. Kamar tidur ini memiliki
teras dan juga kanopi dibagian depan, serta dilengakapi sistem ventilasi berupa
dua pasang jendela di bagian depan dan juga satu pintu dengan bahan terbuat
dari kaca tebal 8 mm. Alasan penggunaan bahan dari kaca adalah agar terdapat
cahaya yang cukup yang masuk kedalam ruangan. Selain itu juga dilengkapi satu
ventilasi (lubang udara) yang terbuka di bagian belakang (sisi dapur) dan satu
ventilasi di kamar mandi agar terjadi sirkulasi pada ruang belakang yang
dibatasi oleh sekat-sekat.
C.
Perumusan
Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut
peneliti akan merumuskan masalah yang akan diatasi melalui simulasi menggunakan
program CFDSOF, yaitu :
1. Bagaimana
membuat desain ruangan yang baik agar sirkulasi udara yang terjadi dapat
optimal?
2. Bagaimana
pengaruh kecepatan udara yang masuk ke dalam ruangan dengan distribusi udara
yang terjadi pada setiap ruang dalam kamar?
3. Bagaimana
pengaruh panas yang terserap melalui dinding jendela, pintu dan juga lubang
ventilasi terhadap temperatur kamar?
D.
Tujuan
Simulasi konsep kamar tidur minimalis
ini memiliki beberapa tujuan, yaitu :
1. Membuat
suatu desain kamar tidur yang sehat dan nyaman dengan melakukan perhitungan dan
simulasi aliran udara dan juga aliran panas yang masuk kedalam ruangan.
2. Mendapatkan
kecepatan udara masuk yang optimal untuk mensirkulasikan aliran udara didalam
ruang-ruang kamar
3. Mendapatkan
temperatur ruangan yang cukup dari penyerapan panas yang terjadi melalui pintu,
jendela, dan lubang ventilasi.
E.
Luaran
yang Diharapkan
Luaran yang diharapkan dari simulasi ini
adalah terciptanya suatu konsep desain kamar tidur untuk keluarga kecil yang
terdiri dari tiga sampai lima orang ataupun kamar kos untuk mahasiswa yang
dapat dirancang untuk beberapa orang dengan mempertimbangkan aspek-aspek
kesehatan dan kenyamanan bagi penghuninya. Konsep desain kamar ini juga
mempertimbangkan keterjangkauan bagi masyarakat umum dalam pembuatannya karena
tidak menggunakan sistem pengkondisian udara secara mechanical menggunakan AC
(Air Conditioner) melainkan menggunakan sistem ventilasi udara secara alami.
Aspek-aspek kenyamanan bagi penghuninya telah kita rancang dengan
mempertimbangkan hasil-hasil simulasi menggunakan prinsip CFD (Computational
Fluid Dynamic) dalam simulasi ini menggunakan software CFDSOF.
Aspek-aspek yang kita kaji adalah
sirkulasi aliran udara dengan mempertimbangkan letak pintu, jendela, dan
jumlahnya, serta lubang ventilasi udara yang cukup untuk kapasitas ruangan yang
kita buat. Selain itu ukuran kamar dan jumlah ruangan dan tata letaknya telah
kita pertimbangkan untuk mendapatkan desain kamar yang baik. Material untuk
pintu, dan jendela kita memilih menggunakan kaca tebal dengan pertimbangan
terdapat pencahayaan dan penyerapan panas yang cukup. Selain itu desain yang
kita tawarkan adalah dibagian depan kamar terdapat teras dan juga kanopi agar
terlindung dari hujan maupun radiasi matahari secara langsung. Kamar ini juga
dapat dibuat untuk bangunan bertingkat, untuk kos-kosan maupun rumah susun.
Bagian plafon kita tawarkan dengan cor ataupun plafon fix sehingga diharapkan
tidak ada penyerapan kalor pada seluruh bagian dinding. Kita hanya mengatur
penyerapan kalor melalui pintu, jendela depan yang terbuat dari bahan kaca dan
juga lubang ventilasi di bagian belakang.
Parameter kedua yang kita simulasikan
adalah distribusi temperatur dalam ruangan. Kita tentukan bahwa kalor yang
masuk ke ruangan adalah melalui pintu, jendela, dan juga lubang ventilasi.
Dengan adanya konsep desain kamar sehat
ini diharapkan dapat menjadi solusi dan juga pertimbangan untuk masyarakat umum
yang masih membutuhkan tempat tinggal sehat dan terjangkau.
F.
Kegunaan
Sasaran utama dari simulasi yang
dilakukan adalah masyarakat umum didaerah perkotaan yang membutuhkan tempat
tinggal yang sehat dan nyaman dengan konsep minimalis. Kegunaan simulasi kamar
tidur ini bagi masyarakat umum adalah :
1. Memberikan
wawasan pengetahuan mengenai desain ruangan yang tidak memerlukan lahan yang
luas tetapi memenuhi kriteria dan standar kesehatan.
2. Mendorong
masyarakat untuk sadar akan pentingnya kondisi kamar tidur yang sehat dan
nyaman.
3. Mewujudkan
pemukiman masyarakat perkotaan yang sehat dengan biaya yang terjangkau.
G.
Tinjauan
Pustaka
CFD
merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume
dengan memanfaatkan bantuan komputasi untuk melakukan perhitungan pada
tiap-tiap elemen pembaginya.
Prinsipnya
adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan
dibagi-bagi menjadi beberapa bagian cell/grid/mesh, hal ini sering disebut
dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing.
Bagian-bagian
yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontol penghitungan yang akan dilakukan
oleh aplikasi atau software. Kontrol-kontrol penghitungan ini beserta
kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan
tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik kontrol penghitungan akan
dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary
condition yang telah ditentukan.
Prinsip
inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan
komputasi komputer. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element
Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda
solid. Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:
1.
Preposessor
Tahap dimana
data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan boundary
condition. Contohnya seperti penentuan ukuran cell, input, output, radiator,
dll. Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi
dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing.
2.
Processor
Dilakukan
proses penghitungan input data dengan persamaan yang terlibat secara iteratif.
Iterati disini artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error
terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Jika perhitungan masih
menunjukan divergen maka kemungkinan masih terjadi error dalam pre-proccess.
Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses
integrasi persamaan diskrit.
3.
Post processor
Tahap akhir
merupakan tahap postprocessor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke
dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu. Misalnya
warna merah dan ukuran panah panjang dalam variabel kecepatan menunjukkan
fluida yang mengalir memiliki kecepatan tinggi sedangkan untuk warna biru tua
dan ukuran panah yang pendek memiliki kecepatan fluida yang rendah.
Kelebihan
CFD :
·
Dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu
sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam
melakukan eksperimen tersebut.
·
CFD dapat mempermudah dan mempertajam analisa kita
terhadap perbandingan pembelajaran mekanika fluida secara teoritis dengan
proses simulasi.
·
Pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran
fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.
Persamaan-Persamaan
Konservasi
Persamaan konservasi adalah persamaan yang menjadi dasar dalam simulasi
fluida yang akan kita uji. Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari
model itu sendiri, apakah model tersebut memepertimbangkan faktor reaksi kimia,
mass transfer, heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible
dan laminar.
Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan
diaktifkan dalam suatu proses CFD. Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam
konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan
dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real.
Betapa sulitnya ketika kita membayangkan bagaimana Tuhan mengatur
fenomena-fenomena yang lebih kompleks di muka bumi ini karena untuk suatu
karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam
persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih
untuk bisa menghitungnya.
berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat
dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies.
1. Persamaan Konservasi Massa
Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuitas yang digunakan
dalam CFD adalah:
Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid
untuk setiap aliran compressible dan incompressible.
2. Persamaan Konservasi Momentum
Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan
gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap
elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD. Untuk lebih jelasnya
lihat gambar di bawah ini:
Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida
Persamaan konservasi momentum
Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida.
Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum
(solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam.
H.
Metode
Simulasi
Metode simulasi CFD yang dilakukan adalah
menggunakan software CFDSOF dengan dua kali proses simulasi.
1. Simulasi
I : Simulasi distribusi aliran udara
Simulasi
ini dilakukan untuk menentukan distribusi aliran udara di dalam seluruh bagian
ruangan, dengan melihat hasil distribusi kecepatan udara (velocity magnitude,
velocity component) dan juga distribusi tekanan (Absolute total pressure,
relative total pressure, pressure component). Tahap-tahap dalam simulasi ini
adalah :
Konsep desain kamar :
Ukuran :
Panjang : 10 m
Lebar : 7 m
Tinggi : 3 m
Terdapat
1 pintu dan 2 pasang jendela di bagian depan yang terbuat dari kaca
Terbagi menjadi 3 ruangan,
bagian
depan terdapat lemari besar, televisi, galon air minum, tempat tidur untuk 3 orang.
Bagian belakang
terdapat ruang dapur dengan lemari pada dinding atas dan bawah, dan 2 kamar
mandi.
Terdapat
lubang ventilasi pada dinding belakang pada dapur dan kamar mandi
a. Tahap
Pre-Processing :
-
Mengatur domain pada input domain, pada
opsi pilih 3D, Dimensi panjang 7 m, tinggi 10 m, dan lebar 3 m, Jumlah cell
pada sumbu I, J, K masing-masing 40 cell
-
Membuat grid 3D dalam CFDSOF dengan atur
cell dan melakukan irisan pada sumbu I, J, dan K seperti gambar dibawah ini
Gambar sketsa yang akan
kita buat dalam CFDSOF
Gambar contoh
pengaturan cell dalam CFDSOF
-
Mengatur Konstanta Fisikal yaitu
densitas udara 1000 kg/m^3, viskositas udara 9 x 10^-4 N.s/m^2
-
Mengatur Kondisi Sempadan pada inlet
(jendela dan pintu bagian depan) Kecepatan kita masukkan 3 m/s pada sumbu-w.
(kecepatan udara pada kondisi standar)
a. Tahap
Processing :
-
Melakukan iterasi sampai tercapai
kondisi konvergen/residu normalisasi, kita masukkan iterasi 2000
b. Tahap
Post Processing :
-
Melihat hasil untuk kontur dan vektor
distribusi kecepatan dan distribusi tekanan seperti pada gambar berikut ini
Gambar hasil vektor
kecepatan
Gambar hasil vektor
kecepatan
Gambar hasil vektor
absolute total pressure
1. Simulasi
II : Simulasi Distribusi Temperatur
Simulasi
ini dilakukan untuk mengetahui distribusi temperatur dan penyerapan kalor yang
terjadi dalam ruangan. Tahap-tahap dalam simulasi ini adalah :
a. Tahap
Pre-Processing
-
Pada tahap ini pengaturan grid sama
seperti pada simulasi pertama.
-
pada model kita aktifkan hitung
temperatur.
-
Mengatur Kondisi Sempadan Wall. Wall 1
adalah semua dinding selain pintu dan jendela depan dan lubang ventilasi di
belakang. Wall 1 kita atur temperatur 273 K. Wall 2 adalah pintu dan jendela
didepan dan ventilasi di belakang. Kita atur temperatur 300 K.
-
Pengaturan beda temperatur tersebut
didasarkan pada penyerapan kalor yang terjadi karena pintu dan jendela berbahan
kaca dan juga penyerapan pasa lubang ventilasi kita asumsikan sama
b. Tahap
Processing
-
Melakukan iterasi sampai tercapai
kondisi konvergen/residu normalisasi. Kita atur 5000 iterasi.
c. Tahap
Post-Processing
-
Melihat hasil simulasi
Gambar hasil kontur
heat flux
Gambar hasil kontur temperatur
Gambar hasil kontur surface
temperatur
I.
Analisis
Hasil
Dari
hasi simulasi pertama dan kedua yang telah dilakukan dapat dianalisis yaitu :
1.
Pada simulasi pertama, dengan pengaturan
kecepatan udara yang masuk melalui jendela dan pintu adalah 3 m/s kita dapatkan
hasil pada kontur maupun vektor tampak bahwa pada kondisi tersebut terjadi
sirkulasi udara pada sebagian besar ruangan, pada kontur tampak distribusi
warna biru muda yang menunjukkan kecepatan yang lebih tinggi, begitu juga untuk
tekanan, karena terjadi perbedaan kecepatan maka terjadi juga perbedaan tekanan
dalam ruangan. Ketika kita melakukan variasi untuk inlet udara yang kita atur
hanya pada lubang ventilasi diatas pintu dan jendela pada dinding depan
(kondisi saat pintu dan jendela ditutup) menunjukkan bahwa hasil yang
didapatkan masih bagus, artinya supply udara dari luar masih bisa bersirkulasi
dengan baik bisa kita lihat dari vektor kecepatan dan tekanan yang menunjukkan
aliran udara masuk mengisi bagian atas ruangan terlebih dahulu kemudian
tersebar ke ruangan lainnya dan mengisi hampir seluruh ruangan. Hasil tersebut
menunjukkan bahwa desain yang dibuat adalah baik disesuaikan dengan ukuran
ruangan yang telah didesain.
2.
Pada simulasi kedua, dengan pengaturan
beda temperatur antara dinding pada bagian inlet dan outlet sebesar 300K
(temperatur rata-rata pada siang hari) dengan dinding selain inlet dan outlet
dengan 273K (dianggap nol) kita dapatkan hasil bahwa distribusi temperatur yang
terjadi adalah baik karena panas yang terjadi tidak terlalu berpengaruh secara
signifikan terhadap kondisi temperatur di sebagian besar ruangan, hal ini dapat
kita lihat pada total temperatur dan heat flux sehingga dapat disimpulkan bahwa
konsep desain yang dibuat dengan hasil dari simulasi adalah sangat baik dalam
hal distribusi udara dan temperatur.
J.
Kesimpulan
Dari hasil simulasi dan analisis yang telah dilakukan
maka dapat kita simpulkan bahwa :
1.
Hasil variasi simulasi yang dilakukan menunjukkan
bahwa ketika kita mengasumsikan kecepatan aliran udara rata-rata yang masuk ke ruangan
dan melakukan simulasi untuk beberapa kondisi memberikan hasil sirkulasi udara yang
baik.
2.
Hasil simulasi untuk parameter kalor yang
terserap dari ruangan dengan input beda temperatur rata-rata harian menunjukkan
bahwa panas yang terjadi dalam ruangan karena faktor eksternal (panas matahari)
tidak berlebihan karena disesuaikan dengan konsep desain yang dibuat dan material
yang digunakan.
3.
Dari hasil analisis simulasi yang
dilakukan menghasilkan menunjukkan bahwa desain kamar ini adalah baik dan
memenuhi kriteria kamar yang sehat.
