Download - 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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
= ( )( ) =
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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.
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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)
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
=+ /
( + / )
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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
-
7/23/2019 Bab 6 Beban Kalor
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.