Sinopsis Tugas Besar CFD dan Komputasi Teknik

Kalkulasi Beban Pendinginan di Tempat Tinggal

1. Latar Belakang

Sumber energi di dunia masih bergantung kepada sumber energi fosil. Dampak yang dapat dirasakan dari penggunaan sumber energi fosil yang berlebihan adalah pemanasan temperatur bumi. 

Kita dapat berkontribusi mengurangi dampak pemanasan global dengan cara mengurangi konsumsi energi. Konsumsi energi yang cerdas dapat dimulai dari tempat tinggal. Tempat tinggal rendah energi akan menyediakan kenyamanan, hidup sehat, penurunan biaya hidup, dan kepuasan.

Tempat tinggal rendah energi dapat dicapai dari beberapa segi, yaitu: 

    1. Desain tempat tinggal rendah energi

    2. Konsep tempat tinggal Zero-carbon

    3. Penggunaan sumber energi terbarukan

    4. Tempat tinggal dengan teknologi rendah energi

Tempat tinggal di negara-negara dengan iklim tropis banyak digunakan sistem penyejuk udara untuk mengurangi panas di dalam ruangan. Kalkulasi beban pendinginan diperlukan agar konsumsi energi dapat optimal sehingga pada akhirnya berdampak pada pengurangan biaya hidup dan pemanasan global.

2. Tujuan

Kalkulasi beban pendinginan dapat digunakan untuk mencapai tujuan-tujuan sebagai berikut:

    1. Menyediakan informasi untuk pemilihan peralatan, ukuran dan perancangan system.

    2. Menyediakan data untuk mengevaluasi kemungkinan optimum untuk pengurangan beban.

    3. Memungkinkan analisa beban-beban parsial yang dibutuhkan untuk perancangan, operasi, dan control system.

3. Terminologi

Ketentuan dan definisi refrigerasi menurut standard ASHRAE 12-75 :

Cooling Load Temperature Difference (CLTD)/Perbedaan Temperatur Beban Pendinginan: Perbedaan temperature setara digunakan untuk menghitung beban pendinginan sesaat eksternal melalui atap atau dinding.

Sensible Heat Gain/Perolehan Panas Sensible: Energi yang ditambahkan ke ruangan dengan konduksi, konveksi, dan/atau radiasi.

Latent Heat Gain/Perolehan Panas Laten: Energi yang ditambahkan ke ruangan ketika kelembaban ditambahkan ke ruangan melalui uap yang dipancarkan oleh penghuni, yang dihasilkan oleh proses atau melalui infiltrasi udara dari luar atau area berdekatan.

Radiant Heat Gain/Perolehan Panas Radian: Tingkat di mana panas yang diserap adalah permukaan yang menutupi ruangan dan obyek dalam ruangan.

Space Heat Gain/Perolehan Panas Ruangan: Tingkat di mana panas masuk ke dalam dan/atau dihasilkan dalam ruangan berpendingin selama interval waktu tertentu.

Space Cooling Load/Beban Pendinginan Ruangan: Tingkat di mana energy harus dikeluarkan dari ruangan untuk memelihara temperature udara yang konstan.

Space Heat Extration Rate/Tingkat Ekstrasi Panas Ruangan: Tingkat di mana panas dipindahkan dari ruangan berpendingin dan sama dengan beban pendinginan ruangan jika temperature tetap.

4. Ukuran Sistem Pendingin Udara

Dasar dan konsep ukuran system pendingin udara didasarkan pada perolehan panas, dan/atau pengeluaran panas. Perolehan dan pengeluaran panas sama dengan keseimbangan pengeluaran panas, dan penambahan, untuk mendapatkan kenyamanan ruangan yang kita inginkan.

Perolehan dan pengeluaran panas di tempat tinggal bergantung pada:
1. Perbedaan temperature antara di luar ruangan dan temperature yang diinginkan
2. Tipe konstruksi dan jumlah insulasi di dalam dinding dan langit-langit.
3. Besar ruangan
4. Penghuni, peralatan rumah tangga, dan lampu-lampu.

5. Perolehan Panas

Perolehan panas digolongkan menjadi:

1. Radiasi matahari melalui permukaan transparan melalui jendela

2. Konduksi panas melalui dinding bagian luar dan atap

3. Konduksi panas melalui partisi interior, plafon, dan lantai

4. Pembangkitan panas di dalam ruangan oleh penghuni, lampu, dan peralatan

5. Beban sebagai hasil ventilasi dan infiltrasi

Panas sensible adalah panas yang diserap suatu zat, saat temperaturnya naik, keadaan zat tersebut tidak berubah. Beban panas sensible adalah total dari:

1. Panas yang dipancarkan melalui lantai, plafon, dan dinding

2. Panas tubuh penghuni

3. Panas peralatan dan lampu

4. Panas matahari melalui kaca

5. infiltrasi udara luar

6. Udara karena ventilasi

Beban panas laten adalah perolehan panas ketika embun ditambahkan ke dalam ruangan baik dari sumber-sumber internal atau dari luar. Beban panas laten adalah total dari:

1. Embun yang dimuat udara luar dari infiltrasi dan ventilasi

2. Pernapasan dan aktivitas penghuni

3. Embun dari peralatan

6. Komponen Beban Pendinginan

Beban pendinginan bangunan total terdiri dari panas yang ditransfer melalui selubung bangunan (dinding, atap, jendela, pintu, dll) dan panas yang dihasilkan oleh penghuni, peralatan, dan lampu. Beban akibat perpindahan panas melalui selubung disebut sebagai beban eksternal sedangkan beban lainnya disebut sebagai beban internal. Presentase beban eksternal dan internal bervariasi dengan tipe bangunan, iklim, dan disain bangunan. Beban pendinginan total terdiri dari komponen beban sensible dan laten. Beban sensible mempengaruhi temperatur dry-bulb, sedangkan beban laten mempengaruhi kandungan embun ruangan penyejuk udara.

6.1 Beban pendinginan karena perolehan panas melalui struktur

Beban pendingin sensible karena perolehan panas melalui dinding, lantai, dan plafon dihitung menggunakan CLTD dan faktor U (koefisien perpindahan panas). Menurut ASHRAE Fundamental Handbooks, tabel CLTD seperti di bawah ini (tabel 1).

6.2. Beban pendinginan karena perolehan panas melalui jendela

Glass load factor (GLF) dimodifikasi untuk perhitungan beban pendinginan tempat tinggal keluarga tunggal dan apartment. Di dalam aplikasinya, luas setiap jendela dikalikan dengan GLF (tabel 3). Tabel 5 berisi daftar shading coefficient (SC) dan faktor U yang digunakan bergabung dengan tabel 3.Shade line factor (SLF) adalah rasio jarak bayangan jatuh di bawah ujung serambi ke lebar serambi (tabel 6).  Efek-efek alat peneduh luar ruangan permanen harus dipertimbangkan terpisah dalam menentukan beban pendinginan. Kaca teduh dipertimbangkan serupa dengan kaca menghadap utara. 

6.3. Infiltrasi dan ventilasi
Data di dalam tabel 7 dan 8 menunjukkan perubahan udara ruangan per jam (ACH) untuk tempat tinggal keluarga tunggal maupun apartment. Tight (rapat) berarti konstruksi apartment yang baik dengan pemasangan pintu dan jendela yang rapat. Medium (menengah) berarti tempat tinggal dengan pemasangan pintu dan jendela yang rata-rata baik. Loose (longgar) berarti tempat tinggal yang dibangun dengan tidak baik dengan pemasangan pintu dan jendela yang tidak rapat.
Sistem penyejuk udara tempat tinggal dapat memasukkan udara luar. Ketika ventilasi positif berarti memasukkan udara luar.

6.4. Penghunian
Perolehan panas sensible tiap penghuni diasumsikan 67 W. Untuk mencegah pengukuran yang berlebih, jumlah penghuni harus dipertimbangkan.


6.5. Peralatan rumah tangga
Beban peralatan rumah tangga terpusat sebagian besar di dalam dapur dan area binatu. Berdasarkan kondisi di dalam tempat tinggal keluarga tunggal, beban sensible 470 W harus dibagi antara dapur dan/atau binatu dan kamar-kamar yang berbatasan.


6.6. Sumber-sumber panas laten
Beban pendinginan laten mempunyai tiga sumber utama yaitu udara luar, penghuni, dan beraneka sumber seperti memasak, binatu, dan mandi.

Secara ringkas prosedur untuk kalkulasi beban pendinginan tempat tinggal menurut ASHRAE Fundamental Handbooks 2001 adalah seperti tabel 9.

Diperlukan data-data tambahan untuk melakukan perhitungan beban pendinginan seperti faktor U atap dan dinding, beban lampu dan peralatan komputer. Kita mengacu pada Bab 29 ASHRAE Fundamental Handbooks 2001.

Sumber:
2001 ASHRAE Fundamental Handbooks (SI). Chapter 28. Residential cooling and heating load calculations