bab 6 beban kalor

7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor

1/14

157

BAB 6 BEBAN KALOR

6-1 Pendahuluan

Bangunan didirikan untuk mendapatkan perlindungan dan lingkungan

dalam yang aman dan nyaman, sehingga penghuninya terhindar dari keadaan luar

yang berubah-ubah. Ruangan yang berkondisi interior baik dan murah biaya

murah perawatannya merupakan suatu kriteria penting suksesnya rancangan suatu

bangunan. Walaupun pengaturan kondisi di dalam biasanya dilakukan dengan

sistem penghangatan dan pendinginan yang aktif, perancangan penghangatan,

ventilasi dan pengkondisian udara (heating, ventilating and air conditioning, HV

AC) harus dimulai dengan mengetahui sifat-sifat termal dinding dan atap, yang

menentukan kapasitas dan energy kerja yang dibutuhkan.

Tujuan utama bab ini adalah menjajaki prosedur-prosedur dalam menilai

sifat-sifat termal dinding-dinding bangunan untuk merancang sistem HVAC yang

diperlukan dalam menciptakan kenyamanan. Karena tujuan dari sistem tersebut

memberikan kenyamanan maka disarankan agar didahului dengan suatu

pembahasan singkat tentang faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan

tersebut.

6-2 Kenyamanan termal

Gambar 4-1 melukiskan faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan

termal. Pertama, kalor dalam tubuh diproduksi oleh proses metabolism untuk

menjaga suhu tubuh. Proses mebatolisme ini dipengaruhi oleh beberapa paktor

seperti umur, kesehatan, dan tingkat kegiatan. Sebagai contoh suatu kondisi

lingkungan tertentu cocok bagi suatu ruangan yang ditempati orang yang sehat,

tetapi tidak cocok bagi orang yang sedang sakit. Jika orang mau mengubah

kebiasaan berpakain karena berubahnya musim, mereka akan menemukan bahwa

mereka dapat merasa nyaman dalam batas-kondisi yang lebih luas dari yang

mereka harapkan.

Tubuh terus-menerus menghasilkan kalor yang harus disalurkan, untuk

menjaga agar suhu tubuh tetap. Bagi seseorang yang sedang isterahat atau


2/14

158

mengerjakan pekerjaan ringan di dalam ruangan yang terkondisi, tubuhnya

mengeluarkan kalor dengan cara konveksi (dibawa oleh udara sekitar) dan

diradiasikan (ke permukaan lingkungan yang suhunya lebih rendah

Gambar 4-1 Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal

dari suhu tubuh). Masing-masing komponen penyaluran kalor ini jumlahnya

mendekati 30 persen dari jumlah kalor yang dilepaskan. Penguapan dari

pernapasan dan keringat berjumlah 40 persen. Kalau kondisi lingkungan atau

tingkat kegiatan berubah maka persentase ini akan berubah. Misalnya, jika

seseorang sedang mengerjakan pekerjaan berat, mekanisme penyaluran kalor yang

utama adalah penguapan.

Empat faktor lingkungan yang mempengaruhi kemampuan tubuh

menyalurkan kalor adalah: suhu udara, suhu permukaan-permukaan yang ada di


3/14

159

sekitar, kelembaban dan kecepatan udara. Jumlah dan jenis pakaian serta tingkat

kegiatan penghuni berinteraksi dengan keempat faktor ini. Dalam merancang

suatu sistem pengkondisian udara. kita pu~tkan perhatian pada pengaturan

keempat faktor tersebut. Jika seseorang memakai pakaian yang wajar, maka batas-

batas keadaan di bawah ini seharusnya dapat diterima.

Suhu kerja. 20 hingga 26C

Kelembaban. Suhu pengembunan 2 hingga l7C

Kecepatan udara rata-rata. Hingga 0,25 m/det.

Suhu kerja yang digunakan mendekati harga rata-rata suhu bola kering dan suhu

radian rata-rata, selama suhu radian rata-rata tersebut kurang dari 50C dan

kecepatan udara rata-rata kurang dari 0,4 m/net. Suhu radian rata-rata (mean

radiant temperature) adalah suhu permukaan yang seragam dari sesuatu benda

hitam imajiner yang dengannya penghuni akan mempunyai pertukaran energi

radian yang sama dengan ruang seragam yang nyata. Seseorang yang memakai

pakaian tebal dapat merasa nyaman pada suhu lebih rendah; sebaliknya, pakaian

yang lebih tipis dan kecepatan tinggi dapat memberikan kenyamanan walaupun

suhu lebih tinggi. Suhu permukaan yang ada di sekitar mempunyai pengaruh

terhadap kenyamanan yang sama besarnya dengan suhu udara, dan tak dapat

diabaikan.

6-3 Transmisi termal

Prosedur umum untuk perhitungan kalor yang hilang atau kalor yang

diperoleh melalui transmisi termal adalah menggunakan Pers. (2-12), yaitu

=

=

= ( )

dengan UA = 1/ , W/K

= hambatan termal total. K/W


4/14

160

U = Koefisien perpindahan kalor total, W/m2.k

A = luas permukaan, M2

= beda suhu luar dan dalam, K

untuk memperkirakan beban-penghangatan, perbedaan suhu adalah harga

97,5 persen suhu luar dikurangi harga rancangan dalam.

Koefisien perpindahan kalor total U adalah fungsi dari hambatan-

hambatan termal. Tabel 4-4 (hal. 68) memuat harga-harga hambatan termal untuk

1 m2

permukaan bahan-bahan bangunan yang digunakan, ruang udara tertutup,

dan batas-batas selubung bangunan. Contoh 4-3 melukiskan cara penentuan harga

Udari suatu penampang dinding yang khas. Luas-luas permukaan yang digunakan

dalam perhitungan transmisi ini adalah luas-luas bagian dalam nominal dari

ruangan-ruangan.

Contoh 4-3 Tentukan hambatan termal total dati suatu satuan luas

potongan dari dinding seperti dalam Gambar 4-3.

Gambar 4-3 Penampang dinding dalam contoh 4-3


5/14

161

Penyelesaian Hambatan-hambatan berikut didapat dari Tabe14-4 :

Lapisan udara luar 0,029 m2

.K/W

Bata luar, 90 mm 0,068

Celah udara 0,170

Sisipan, 13 mm papan fiber 0,232

Penyekat, 75 mm serat mineral 1,940

Celah udara 0,170

Papan gip, 13 mm 0,080

Lapisan udaxa dalam 0,120

Rtot 2,812 m2

.K/W

Bila ruang tingkat bawah tak dikondisikan, kehilangan kalor melalui

permukaan-permukaan yang ada dibagian bawah seringkali diabaikan. Beban-

beban penghangatan yang termasuk dalam kasus seperti itu didasarkan pada

perkiraan suhu ruangan yang tak dikondisikan tersebut dan penjalaran kalor

melalui lantai. Bila ruang tingkat bawah akan dikondisikan, perambatan kalor

yang hilang didasarkan pada hambatan termal dinding dan lantai. suhu ruang yang

akan dikondisikan, dan suhu tanah yang terdekat dengan permukaan tersebut.

Untuk kontruksi slab-on-grade (tingkat di atas slab) kehilangan kalor lebih

sebanding dengan panjang perimeter slab tersebut daripada luasnya, sehingga

= ( )( ) =


6/14

162

Tabel 4-4 Hambatan termal dari satu satuan luas permukaan bahan bangunan

tertentu pada suhu rata-rata 24C.

1/k,m K/W R,m2

K/W

Bahan-bahan eksterior

Face brick (bata luar) 0,76

Bata biasa 1,39

Batu 0,55

Concrete block, agregat pasir dank oral, 200 mm 0,18

Agregat ringan 200 mm 0,38

Agregat ringan 150 mm 0,29

Kapur (stucco) 1,39

Siding, asbestos-cement, 6 mm, lapped 0,04

Aspal penyekat, 13 mm 0,14

Kayu ply-wood, 10 mm 0,10

Aluminium atau baja, ditempel dengan papan

penyekat

0,32

Bahan pelapis

Asbestos-cement 1,73

Ply-wood 8,66

Papan fiber, massa jenis regular, 13 mm 0,23

Hardboard, massa jenis menengah 9,49

Particle board, massa jenis menengah 7,35

Bahan atap

Asphalt shingles (sirap beraspal) 0,08

Built-up roofing, 10 mm 0,06

Beton (concrete)

Agregat pasir dan kerikil 0,55

Agregat ringan 1,94


7/14

163

Terdapat sedikit keterangan untuk mendasarkan harga-harga Fbagi slab-slab

skala besar. Harga-harga untuk slab-slab skala rumah tinggal ditentukan sebesar F

= 1,4 W/m.K untuk ujung yang tidak disekat, dan F= 0,9 W/m.K untuk suatu

slab yang bersekat

Tabel 4-4 Tahanan termal dari satu satuan luas permukaan bahan bangunan

tertentu pada suhu rata-rata 24C

1/k,m K/W R,m2

K/W

Hambatan udara

Permukaan udara terang (emisivitas 0,11

permukaan 0,9) mendatar, kalor mengalir ke

Bahan-bahan penyekat

Blanket dan batt, serat mineral, 75

90 mm 1,94135165 mm 3,35

Papan dan slab, serat gelas, organic bond 27,7

Expanded polystyrene, extruded 27,7

Celluler polyurethane 43,8

Serat mineral tak padat, 160 mm 3,35

Sellulose 21,725,6

Bahan-bahan interiorPapan gips atau papan plaster, 15 mm 0,08

16 mm 0,10

Bahan-bahan plaster, plaster semen 1,39

Plaster gips, ringan, 16 mm 0,066

Kayu lunak (den, pinus, dan lain-lain) 8,66

Kayu keras (maple, oak, dan lain-lain) 6,31


8/14

164

atas

Horizontal, kalor mengalir ke bawah 0,16

Vertical, kalor mengalir horisontal 0,12

Permukaan, udara bergerak, musim pemanasan,

6,7 m/det

0,029

Permukaan, udara bergerak, musim pemanasan,

3,4 m/det

0,044

Celah udara, emisivitas permukaan 0,8 horisontal 0,14

Vertical 0,17

Emisivitas permukaan 0,2 horisontal 0,24

Vertical 0,36

Kaca datar (flat glass)

U, W/m K*

Musim panasMusim

dingin

Kaca tunggal 5,9 6,2

Kaca dua rangkap, celah udara 6-mm 3,5 3,3

Celah udara 13-mm 3,2 2,8

Kaca tiga rangkap, celah-celah udara 6-mm 2,5 2,2

Celah udara 13 mm 2,2 1,8

Jendela tahan badai (storm window)

25 hingga 100 mm 2,8 2,3

* termasuk hambatan lapisan udara dalam dan luar

2,5 cm di ujungnya. Harga-harga ini harus dipandang sebagai pendekatan dan

umumnya dianggap terlalu tinggi.


9/14

165

6-4 Beban-beban perembesan udara (infiltrasi) dan ventilasi

Masuknya udara Iuar ke dalam ruangan mempengaruhi suhu udara dan

tingkat kelembaban di ruang tersebut. Biasanya dibedakan antara pengaruh yang

menyangkut dampak suhu (temperature effect) seperti beban sensibel dan dampak

kelembaban seperti beban laten. Istilah ini berlaku juga pada beban-beban yang

lain. Sebagai contoh, beban-beban perambatan (transmission) dan panas matahari

adalah beban sensibel karena beban-beban tersebut hanya terpengaruh pada suhu,

sementara beban-beban lain dari dalam yang datang dari penghuni mempunyai

bagian beban sensibel dan beban laten. Kehilangan atau perolehan kalor

disebabkan oleh masuknya udara iuar dirumuskan dengan

= 1,23 ( ) = 3000 ( )

dengan Q = laju aliran volumetric udara luar, L/det

W= rasio kelembaban, air terhadap udara, kg/kg

is = menyatakan sensible-dalam il menyatakan laten dalam

Perembesan (Infiltrasi), didefinisikan sebagai masuknya udara luar

tanpa kendali, yang disebabkan oleh gaya-gaya alamiah. misalnya angin dan daya

apung akibat perbedaan suhu antara dalam dan luar ruangan. Kita mendefinisikan

ventilasi sebagai udara yang dibawa ke dalam bangunan dengan sengaja secara

mekanis. Tentu saja udara yang dimasukkan tersebut harus juga dikeluarkan

dengan cara alamiah yaitu eksfiltrasi atau secara mekanis,

Pada bangunan-bangunan komersial dan non-komersial dianjurkan

untuk mengendalikan masuknya udara luar, untuk menjamin ventilasiyang baik

dan meminimumkan energi yang digunakan, Oleh karena infiltrasi tak dapat

dikendalikan maka bangunan ini dirancang dan dibangun untuk membatasinya

sesedikit mungkin. Hal ini dikerjakan dengan menyumbat selubung bangunan

sedapat mungkin dengan menggunakan pintu-pintu kecil (vestibules door) atau

pintu-pintu putar (revolving doors). atau dengan mempertahankan tekanan di

dalam bangunan tersebut sedikit melebihi tekanan di luar. Akan tetapi, bila


10/14

166

bangunan tidak memiliki ventilasi mekanis, atau bila kipas-kipas di dalam sistem

tidak bekerja maka infiltrasi akan terjadi. Laju aliran volumetrik dari udara

infiltrasi agak sukar untuk ditunjukkan dengan ukuran yang tepat. Besaran

tersebut akan bermacam-macam besarnya tergantung dari kualitas konstruksi,

kecepatan dan arah angin, perbedaan suhu dalam dan luar ruangan, dan tekanan di

dalam bangunan tersebut. Prosedur yang seringkali digunakan dalam perhitungan

beban adalah dengan memperkirakan infiltrasi tersebut dalam bentuk jumlah

pergantian udara per jam, Satu pergantian udara per jam adalah laju alir

volumetrik yang jumlahnya sama dengan volume ruangan tersebut. Jumlah

pergantian udara per jam di dalam suatu bangunan yang lebih kecil, tanpa

pembangkitan tekanan di dalam, dapat diperkirakan sebagai fungsi5

dari

kecepatan angin dan perbedaan suhu.

= + + ( )

(4-1)

dengan a,b,c = konstanta yang ditentukan dari percobaan

V= kecepatan angin, m/det

6-5 Beban panas matahari melalui permukaan tembus cahaya Perolehan kalor

yang disebabkan oleh panas matahari yang jatuh pada suatu permukaan,

ditentukan oleh sifat-sifat fisika permukaan tersebut. Sifat-sifat optika permukaan

dinyatakan dengan

+ + = 1

dengan = faktor transmisi (transmittance)

= faktor pemantulan (reflectance)

= faktor penyerapan (absorptance)


11/14

167

Besaran masing-masing faktor ini mempunyai dampak yang nyata pada perolehan

kalor dari matahari.

Untuk permukaan tembus cahaya seperti jendela dalam Gambar 4-4,

energi matahari yang menembus permukaan tersebut (qsg) dengan satuan Watt

adalah:

= ( + )= ( + )

(4-2)

Dengan It = intensitas radiasi pada permukaan luar, W /m2

N = fraksi radiasi yang diserap dan diteruskan ke dalam ruangan

dengan cara konduksi dan kanveksi

ho = kaefisien perpindahan kalar luar, W/m2

K

Pada keadaan mantap (steady state),Ndapat berharga sama dengan U/ho.

Pembentukan kembali persamaan yang menggunakan Udan ho, menghasilkan

= +

Bentuk ( + / ) untuk kaca jendela bening satu lembar sering disebut

faktor perolehan kalor matahari (solar-heat gain factor @ SHGF). Harga

maksimum4

SGHF untuk dua buah lintang (latitude) dalam hitungan bulan dan

arah, dimuat dalam tabel 4-10.

Koefisien peneduhan (Shading coefficient, SC) digunakan untuk menghitung

harga SHGF dari jendela-jendela kaca jenis lain atau untuk menghitung faktor

peneduh bagian dalam, kaefisien ini adalah

=+ /

( + / )


12/14

168

Tabel 4-10 Faktor perolehan kalor matahari (SHGF) maksimum untuk kaca yang

dikenai cahaya matahari4

, W/m

U/teduh TL/BL T/B Teng/BD S Hor.

32 lintang utara

Des 69 69 510 775 795 500

Jan, Nov 75 90 550 785 775 555

Feb, Okt 85 205 645 780 700 685

Mar,

Sept100 330 695 700 545 780

Apr,

Agus115 450 700 580 355 845

Mei, Jull 120 530 685 480 230 865

Juni 140 555 675 440 190 870

40 lintang utara

Des 57 57 475 730 800 355

Jan, Nov 63 63 480 755 795 420

Feb, Okt 80 155 575 760 750 565

Mar,

Sept95 285 660 730 640 690

Apr,

Agus110 435 690 630 475 790

Mei, Jull 120 515 690 545 350 830

Juni 150 540 680 510 300 840

Ket : U = Utara, TL = Timur laut, BL = Barat Laut, BD = Barat Daya, S = Selatan

Hor = Horizontal, Teng = Tenggara


13/14

169

Gambar 4-4 Distribusi panas matahari yang menimpa permukaan tembus cahaya.

dengan ss menyatakan lembaran kaca bening tunggal (single sheet). Harga umum

koefisien peneduhan (SC) untuk beberapa jenis kaca dengan atau tanpa peneduh-

dalam dimuat dalam tabel 4-11. Jika ada permukaan luar yang membayangi

jendela, maka untuk jendela yang dibayangi tersebut, digunakan harga SHGF

jendela yang menghadap ke utara (karena posisi bangunan pada lintang utara)

Tabel 4-11 Koefisien peneduhan (shading coefficients)4

Jenis

kaca

Ketebalan

mm

Koefisien peneduhan

Tanpa

peneduh

dalam

Krei Pelindung Tirai Gulung

Sedang Terang Gelap Terang

Kaca

tunggal

Lembaran

biasa

3 1,00 0,64 0,55 0,59 0,25

Pelat

(tebal)

6-12 0,95 0,64 0,55 0,59 0,25

Penyerap

panas

6 0,70 0,57 0,53 0,40 0,30

10 0,50 0,54 0,52 0,40 0,28

Kaca

rangkap

Lembaran

biasa

3 0,90 0,57 0,51 0,60 0,25

Pelat

(tebal)

6 0,83 0,57 0,51 0,60 0,25

reflektif 6 0,2-0,4 0,2-

0,33


14/14

170

Energi matahari yang menembus suatu jendela dapat dirumuskan sebagi berikut :

=( )( )

dengan qsg = energi matahari yang menembus jendela

Ada satu faktor lagi yang harus diperhitungkan, bahwa energi matahari

memasuki ruangan tidak segera menjadi beban pendinginan. Energi radiasi ini

pertama-tama diserap oleh permukaan-permukaan di dalam ruangan, selama

waktu ini suhu permukaan-permukaan tersebut naik dengan laju yang ditentukan

oleh sifat-sifat termal dinamisnya. Jadi energi matahari yang diserap ditunda

sebelum dilepaskan lagi ke udara di ruangan secara konveksi. Oleh karena proses

ini dapat menimbulkan perbedaan waktu yang berarti maka hal ini juga

dimasukkan menjadi suatu faktor beban pendinginan (CLF) dalam menghitung

beban radiasi melalui kaca. Harga CLF yang diturunkan dari suatu analisis

komputer ekstensif.

Dalam menentukan kalor yang diterima dari radiasi matahari melalui

permukaan-permukaan tembus cahaya, peneduhan dari luar juga harus

diperhitungkan. Peneduhan oleh overhang atau peneduh-peneduh lain.

bab 6 beban kalor

Documents