TEORI DASAR TATA UDARA
1. Prinsip Dasar Pengkondisian Udara
Untuk mencapai kenyamanan, kesehatan dan kesegaran hidup dalam rumah
tinggal atau bangunan – bangunan bertingkat, khususnya di daerah
beriklim tropis dengan udara yang panas dan tingkat kelembaban tinggi,
diperlukan usaha untuk mendapatkan udara segar baik udara segar dari
alam dan aliran udaran buatan. Udara yang nyaman mempunyai kecepatan
tidak boleh lebih dari 5 km/jam dengan suhu/ temperatur kurang dari 30°C
dan banyak mengandung O2.
Daerah di Indonesia kebanyakan kurang memberikan kenyamanan karena
udaranya panas (23 -34°C), kotor (berdebu, berasap) dan angin tidak
menentu, khususnya pada bangunan tinggi dimana angin mempunyai kecepatan
tinggi. Karena keadaan alam yang demikian, maka diperlukan suatu cara
untuk mendapatkan kenyamanan dengan menggunakan alat penyegaran udara
(air condition).
Pengkondisian udara adalah perlakuan terhadap udara untuk mengatur suhu,
kelembaban, kebersihan dan pendistribusiannya secara serentak guna
mencapai kondisi nyaman yang diperlukan oleh orang yang berada di dalam
suatu ruangan. Atau dapat didefinisikan suatu proses mendinginkan udara
sehingga mencapai temperatur dan kelembaban yang ideal. Sistem
pengkondisian udara pada umumnya dibagi menjadi 2 golongan utama :
· Pengkondisian udara untuk kenyamanan kerja
· Pengkondisian udara untuk industri
Sistem pengkondisian udara untuk industri dirancang untuk memperoleh
suhu, kelembaban dan distribusi udara yang sesuai dengan yang
dipersyaratkan oleh proses serta peralatan dipergunakan di dalam
ruangan. Dengan adanya pengkondisian udara ini, diharapkan udara menjadi
segar sehingga karyawan dapat bekerja dengan baik, pasien di rumah
sakit menjadi lebih nyaman dan penghuni rumah tinggal menjadi nyaman
1.b. Komposisi utama sistem pengkondisian udara
Gambar 9.1. Sistem pengkondisian udara
Gambar 9.1. memperlihatkan komponen utama dari skema sistem pengkondisian.
Komponen sistem pengkondisian udara adalah:
1. sistem pembangkit kalor, mesin refrigerasi, menara pendingin dan ketel uap
2. sistem pipa: pipa air dan pipa refrigerasi dan pompa
3. pengkondisian udara: saringan udara, pendingin udara, pemanas udara dan pelembab udara
4. sistem saluran udara: kipas dan saluran udara
Komponen AC yang dilalui sirkkulasi udara
* Fan (kipas udara) menggerakkan udara dari atau ke dalam ruangan. Udara
yang dialirkan fan dapat berupa udara luar, udara ruangan atau gabungan
dari udara luar dan udara ruangan. Jumlah aliran udara dan kecepatan
udara harus diatur, agar memperoleh sirkulasi udara yang baik
* Supply Duct (saluran udara keluar): untuk saluran udara dingin dari fan ke dalam ruangan
* Supply out let (lubang keluar): untuk megatur arah aliran udara dari
fan, sehingga udara terdistribusi ke seluruh ruangan. Untuk kenyamanan,
jumlah out let turut menentukan
* Ruangan yang didinginkan: ruangan harus tertutup, sehingga udara
dingin dalam ruangan tidak terbuang keluar dan udara luar tidak masuk ke
dalam ruangan.
Gambar 9.2 Diagram sistem pengkondisian udara
Prinsip pengkondisian udara adalah kondisi udara dalam ruangan dapat
dalam keadaan sangat dingin, panas, lembab, kering, kecepatan udara
tinggi atau tidak ada gerakan udara. Udara dingin digerakkan oleh Fan
masuk reducting (saluran udara) dan melalui out let (lubang keluar)
udara masuk ke dalam ruangan. Udara dari dalam ruangan kembali ke return
out let (grile/ lubang isap) masuk ke ducting return (saluran kembali)
dan melalui filter untuk pembersihan udara masuk melewati celah-celah/
permukaan coil evaporator (koil pendinginan) dan kembali digerakkan Fan
(kipas udara).
2. Psikrometrik untuk Proses Air Conditioning
Psikometrik adalah ilmu yang mempelajari sifat-sifat termodinamika dari
udara basah. Secara umum digunakan untuk mengilustrasikan dan
menganalisis perubahan sifat termal dan karakteristik dari proses dan
siklus sistem penyegaran udara (air conditioning). Diagram psikometrik
adalah gambaran dari sifat-sifat termodinamika dari udara basah dan
variasi proses sistem penyegaran udara dan siklus sistem penyegaran
udara. Dari diagram psikometrik akan membantu dalam perhitungan dan
menganalis kerja dan perpindahan energi dari proses dan siklus sistem
penyegaran udara. Diagram psikrometrik ditunjukkan pada Gambar 9.3.
Gambar 9-3 Kurva Psikrometri
Proses yang terjadi pada udara dapat diganbarkan dalam bagan
psikrometrik guna menjelaskan perubahan sifat-sifat udara yang penting
seperti suhu, asio kelembaban dan entalpi dalm proses-proses tersebut.
Beberapa proses dasar dapat ditunjukkan sebagai berikut
a. Proses Pemanasan dan pendinginan
Proses pemanasan dan pendinginan diartikan sebagai laju perpindahan
kalor yang hanya disebabkan oleh perubahan suhu bola kering. Gambar 9.4.
menunjukkan suatu perubahan suhu bola kering tanpa ada perubahan rasio
kelembaban.
Gambar 9.4. Pemanasan dan pendinginan sensibel
b. Pelembaban adiabatik dan non adiabatik
Gambar 9.5. menunjukkan proses pelembaban yang dapat bersifat adiabatik (proses 1-2) atau dengan penambahan kalor (proses 1-3).
Gambar 9.5. Proses pelembaban udara
c. Pendinginan dan pengurangan kelembaban
Proses ini menurunkan suhu bola kering dan rasio kelembaban (Gambar
9.6). Proses ini terjadi pada koil pendingin atau alat penurun
kelembaban.
Gambar 9.6. Pendinginan dan penurunan kelembaban
d. Pengurangan kelembaban kimiawi
Pada proses kimiawi (Gambar 9.7), uap air dari udara diserap atau
diadsorbsi oleh suatu bahan higroskopik. Jika proses tersebut diberi
penyekat kalor, sehingga entalpinya tetap, dan karena kelembabannya
turun maka suhu udara tersebut harus naik.
Gambar 9.7. Proses penurunan kelembaban kimiawi
e. Pencampuran Udara
Campuran dua aliran udara adalah proses yang umum di dalam pengkondisian
udara. Gambar 9.8 menunjukkan pencampuran udara antara w1 kg/detik
udara dari keadaan 1 dengan w2 kg/detik udara dari keadaan 2. Hasilnya
adalah kondisi 3, terlihat pada grafik psikrometrik dalam Gambar 9.9.
Gambar 9.8. Skema pencampuran udara
Gambar 9.9. Proses pencampuran udara pada kurva psikrometrik
Persamaan dasar untuk proses pencampuran ini adalah persamaan
kesetimbangan energi dan keseimbangan massa. Persamaan keseimbangan
energi adalah:
.........................................................................................
9-1
Dan persamaan kestimbangan massa air adalah:
.........................................................................................
9-2
Persamaan 9.1 dan 9.2 menunjukkan bahwa entalpi dan rasio kelembaban
akhir adalah rata-rata dari entalpi dan rasio kelembaban udara saat
masuk. Suatu pendekatan yang dilakukan oleh para ahli adalah bahwa suhu
dan rasio kelembaban merupakan harga rata-rata udara masuk. Dengan
pendekatan ini, titik yang terdapat pada grafik psikrometrik di atas
menyatakan hasil dari suatu proses pencampuran yang terletak pada garis
lurus yang menghubungkan titik-titik dari kondisi-kondisi pemasukan.
Selanjutnya perbandingan jarak pada garis 1-3 dan 2-3 sama dengan
perbandingan laju aliran w2 dan w1.
3. Perhitungan Beban Pendinginan
Tujuan utama sistem pengkondisian udara adalah mempertahankan keadaan
udara didalam ruangan dan meliputi pengaturan temperatur, kelembaban
relatif, kecepatan sirkulasi udara maupun kualitas udara. Sistem
pengkondisian udara yang dipasang harus mempunyai kapasitas pendinginan
yang tepat dan dapat dikendalikan sepanjang tahun. Kapasitas peralatan
yang dapat diperhitungkan berdasarkan beban pendinginan setiap saat yang
sebenarnya. Alat pengatur ditentukan berdasarkan kondisi yang
diinginkan untuk mempertahankan selama beban puncak maupun sebagian.
Beban puncak maupun sebagian tidak mungkin dapat diukur sehingga
diperlukan prediksi melalui perhitungan yang mendekati keadaan yang
sebenarnya.
Untuk maksud perkiraan tersebut diperlukan survei secara mendalam agar
dapat dilakukan analisis yang teliti terhadap sumber-sumber beban
pendinginan. Pemilihan peralatan yang ekonomis dan perancangan sistem
yang tepat dapat dilakukan juga beban pendinginan sesaat yang sebenarnya
dapat dihitung secara teliti.
Beban pendinginan sebenarnya adalah jumlah panas yang dipindahkan oleh
sistem pengkondisian udara setiap hari. Beban pendinginan terdiri atas
panas yang berasal dari ruang dan tambahan panas. Tambahan panas adalah
jumlah panas setiap saat yang masuk kedalam ruang melalui kaca secara
radiasi maupun melalui dinding akibat perbedaan temperatur. Pengaruh
penyimpanan energi pada struktur bangunan perlu dipertimbangkan dalam
perhitungan tambahan panas.
Perhitungan beban pendingin dapat diperoleh dari ASHRAE Handbook of
Fundamentals. Tata cara perhitungan ini dapat menghasilkan sistem
pengaturan udara yang terlalu besar yang mengakibatkan kurang efisien
dalam pemakaian.
Dengan makin besarnya biaya-biaya pemakaian energi maka makin dirasa
perlu mengadakan optimasi sistem pengaturan udara suatu gedung atau
bangunan yang harus dihitung dari waktu kewaktu secara dinamis.
Gambar 9.10. Perhitungan beban pendinginan
Didalam kenyataannya kalor yang masuk kedalam gedung tidak tetap, karena
faktor-faktor yang mempengaruhi kalor tersebut juga berubah-ubah.
Sebagai contoh temperatur udara luar (lingkungan) nilainya merupakan
fungsi waktu, yaitu maksimum disiang hari rendah dipagi dan sore hari,
sedang minimumnya dimalam hari. Demikian pula kelengasan udara luar
maupun radiasi surya yang mengenai dinding bangunan nilainya berubah
terhadap waktu.
Untuk memperhitungkan pengaruh dari perubahan tersebut sangatlah sulit,
bahkan mungkin tidak praktis untuk dihitung. Oleh karena itu untuk
menentukan keadaan tak lunak (transien) akan dipilih faktor-faktor yang
dominan. Disamping itu akan diperhatikan adanya absorbsi oleh struktur
bangunan.
Dasar perhitungan beban pendinginan dilakukan dengan dua cara, yaitu:
* perhitungan beban kalor puncak untuk menetapkan besarnya instalasi
* perhitungan beban kalor sesaat, untuk mengetahui biaya operasi jangka
pendek dan jangka panjang serta untuk mengetahui karakteristik dinamik
dari instalasi yang bersangkutan.
Beban pendinginan merupakan jumlah panas yang dipindahkan oleh suatu
sistem pengkondisian udara. Beban pendinginan terdiri dari panas yang
berasal dari ruang pendingin dan tambahan panas dari bahan atau produk
yang akan didinginkan. Tujuan perhitungan beban pendinginan adalah untuk
menduga kapasitas mesin pendingin yang dibutuhkan untuk dapat
mempertahankan keadaan optimal yang diinginkan dalam ruang.
Aspek-aspek fisik yang harus diperhatikan dalam perhitungan beban pendingin antara lain :
1. Orientasi gedung dengan mempertimbangkan pencahayaan dan pengaruh angin
2. Pengaruh emperan atau tirai jendela dan pantulan oleh tanah
3. Penggunaan ruang
4. Jumlah dan ukuran ruang
5. Beban dan ukuran semua bagian pembatas dinding
6. Jumlah dan aktivitas penghuni
7. Jumlah dan jenis lampu
8. Jumlah dan spesifikasi peralatan kerja
9. Udara infiltrasi dan ventilasi
Beban pendinginan suatu ruang berasal dari dua sumber, yaitu melalui sumber eksternal dan sumber internal.
a. Sumber panas eksternal antara lain :
* Radiasi surya yang ditransmisikan melaui kaca
* Radiasi surya yang mengenai dinding dan atap, dikonduksikan kedalam
ruang dengan memperhitungkan efek penyimpangan melalui dinding
* Panas Konduksi dan konveksi melalui pintu dan kaca jendela akibat perbedaan temperatur.
* Panas karena infiltrasi oleh udara akibat pembukaan pintu dan melalui celah-celah jendela.
* Panas karena ventilasi.
b. Sumber panas internal antara lain :
* Panas karena penghuni
* Panas karena lampu dan peralatan listrik
* Panas yang ditimbulkan oleh peralatan lain
Beban pendinginan total merupakan jumlah beban pendinginan tiap ruang.
Beban ruang tiap jam dipengaruhi oleh perubahan suhu udara luar,
perubahan intensitas radiasi, surya dan efek penyimpanan panas pada
struktur/dinding bagian luar bangunan gedung.
Dalam sistem pendingin dikenal dua macam panas atau kalor yaitu panas
sensible (panas yang menyebabkan perubahan temperatur tanpa perubahan
fase). Setiap sumber panas yang dapat menaikkan suhu ruangan ditandai
dengan naiknya temperatur bola kering (Tdb) akan menambah beban panas
sensible.
Panas laten yaitu : panas yang menyebabkan perubahan fase tanpa
menyebabkan perubahan temperatur misalnya : kalor penguapan. Setiap
sumber panas yang dapat menambah beban laten. Udara yang dimasukkan
kedalam ruangan harus mempunyai kelembaban rendah agar dapat menyerap
uap air (panas laten) dan temperatur yang rendah agar dapat menyerap
panas dari berbagai sumber panas dalam ruangan (panas sensible), agar
kondisi ruangan yang diinginkan dapat dipercepat.
Beban ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Penambahan beban sensible
* Transmisi panas melalui bahan bangunan, melewati atap, dinding, kaca, partisi, langit-langit dan lantai
* Radiasi sinar matahari
* Panas dari penerangan atau lampu-lampu
* Pancaran panas dari penghuni ruangan
* Panas dari peralatan tambahan dari ruangan
* Panas dari elektromotor
b. Penambahan panas laten
* Panas dari penghuni ruangan
* Panas dari peralatan ruangan
c. Ventilasi dan infiltrasi
* Penambahan panas sensible akibat perbedaan temperatur udara dalam dan luar
* Penambahan panas laten akibat kelembaban udara dalam dan luar
Beban pendinginan puncak (total heat load) adalah total panas yang harus
diambil oleh suatu sistem pendingin. Secara umum terdiri dari
a. Panas konduksi (Q1)
Gambar 9.11. Skema perpindahan panas melalui dinding
Beban panas yang melalui dinding disebut sebagai beban kebocoran
dinding, yaitu banyaknya panas yang bocor menembus dinding ruang dari
bagian luar ke dalam. Karena tidak ada insulasi yang sempurna, maka akan
selalu ada beban panas yang berasal dari luar ke dalam ruangan, karena
suhu di dalam ruangan lebih rendah dari pada suhu di luar ruangan.
Gambar 9.11. menunjukkan skema perpindahan panas melalui dinding..
Panas yang masuk melalui dinding dan atas:
.......................................................................................
9-3
dimana Q = jumlah panas (W)
U = koefisien perpindahan panas total (W/m2 K)
A = luas permukaan (m2)
(to-ti) = perbedaan suhu dalam dan luar ruang pendingin (K)
koefisien perpindahan panas total (U) dihitung dengan persamaan:
..........................................
9-4
dimana x = tebal bahan insulasi (m)
k = konduktivitas termal bahan (W/m K)
h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 K)
b. Field heat (Q2)
Beban kalor yang dibawa oleh produk yang akan didinginkan atau disimpan:
.....................................................................................
9-5
dimana Q = jumlah panas (KJoule)
m = berat dari produk yang didinginkan (kg)
Cp= panas jenis dari produk di atas titik beku (KJoule/kg K)
ΔT= perubahan suhu produk (K)
c. Panas Respirasi (Q3)
Panas yang diperoleh dari produk sebagai akibat dari proses respirasi.
.......................................................
9-6
d. Beban lampu (Q4)
....................................................................................
9-7
e. Service load (Q5)
Service load adalah panas lain yang timbul dalam proses operasi
pendinginan seperti kipas, operator, udara luar ketika pintu dibuka,
motor listrik dan panas infiltrasi dari penyekat dan rak pendingin.
Diperkirakan besarnya adalah sekitar 10% dari total konduksi panas,
field heat dan panas respirasi.
Contoh soal:
1. Suatu campuran udara-uap bersuhu bola kering 30 °C dan rasio
kelembaban 0.015. Hitunglah pada dua tekanan barometrik yang berbeda, 85
dan 101 kPa:
a. entalpi udara campuran
b. suhu pengembunanrasio
2. Dalam suatu unit pengkondisian udara, dimasukkan 3.5 m3/detik udara
dengan suhu 27°C bola kering, kelembaban relatip 50 persen dan tekanan
atmosfir standar. Udara keluar dengan keadaan suhu bola kering 13°C dan
kelembaban relatif 90 persen. Dengan menggunakan sifat-sifat udara yang
terdapat dalam kurva psikrometrik:
a. hitung kapasitas refrigerasi dengan satuan kilowatt
b. tentukan laju pemisahan air dan udara
3. Suatu aliran udara luar dicampur dengan aliran udara balik dalam
suatu sistem pengkondisian udara yang bekerja pada tekanan 101 kPa. Laju
aliran udara luar 2 kg/detik bersuhu bola kering 35°C dan suhu bola
basah 25°C. Laju udara balik 3 kg/detik dengan suhu 24°C dan kelembaban
relatif 50 persen. Tentukan:
a. entalpi udara campuran
b. rasio kelembaban udara campuran
c. suhu bola kering udara campuran yang ditentukan dari sifat-sifat yang ditunjukkan dalam bagian a dan b
d. suhu bola kering dengan mengukur suhu bola kering rata-rata arus masuk
4. Udara di dalam suatu ruangan bersuhu 30 oC dan RH 80%. Ukuran ruangan
adalah 2 m x 3 m x 3 m. Dengan menggunakan diagram psikrometri
tentukan:
* Suhu bola basah ruangan.
* Suhu titik embun ruangan.
* Kelembaban mutlak ruangan.
* Tekanan uap air di dalam ruangan.
* Jumlah panas yang harus dipindahkan dari ruangan tersebut (hint. Tentukan volume jenis berdasarkan suhu rata-rata udara)
Test Formatip
1. Dapat dipahami apabila kelembaban mutlak di dalam ruang pendingin
lebih rendah daripada kelembaban mutlak lingkungan. Akan tetapi,
dapatkah anda jelaskan mengapa kelembaban relatif (RH) dalam ruang
pendingin dapat mempunyai nilai yang lebih rendah daripada RH
lingkungan? (Gunakan skema bagan psikrometrik)
2. Diketahui udara di titik 1 mempunyai kondisi suhu (bola kering): 35oC
dengan RH: 60% sedangkan udara di titik 2 mempunyai kondisi kondisi
suhu (bola kering): 22oC dengan RH: 90%. Dengan laju aliran
masing-masing 2 kg/detik (dari titik 1) dan 3 kg/detik (dari titik 2)
keduanya bercampur di titik 3. Hitunglah suhu (bola kering) dan RH di
titik 3 dengan:
* menggunakan diagram psikrometri, dan gambarkan sketsa pencampuran tersebut
* menggunakan rumus pencampuran udara.
3. Bila udara dengan kondisi Tdb = 30oC dan RH=70% didinginkan sampai kondisi jenuh, dengan dua cara berikut:
* Didinginkan pada kelembaban mutlak konstan
* Didinginkan secara adiabatik
Berapa suhu udara setelah pendinginan pada (a) dan (b) ?
4. Jika udara yang bersuhu 30oC dengan RH 60%,
* Didinginkan secara adiabatis sampai RH 90%, tentukan suhu udara bola
kering, bola basah dan kelembaban mutlak dan perubahan entalpi
* Didinginkan pada kelembaban mutlak yang konstan sampai kondisi RH 90%,
tentukan suhu bola kering, suhu bola basah dan juga perubahan entalpi
5. Suhu udara yang masuk dalam suatu unit pendingin udara (AC) adalah
27°C bola kering, RH 50% dan debit 3.5m3/detik. Sedangkan udara yang
keluar bersuhu 13°C dan RH 90%. Dengan menggunakan sifat-sifat udara
yang terdapat dalam bagan psikrometrik, hitung:
* kapasitas pendinginan (kilowatt)
* laju pemisahan air dari udara (kg/detik)
6. Diketahui beban panas sensibel dan laten dalam ruang pendingin single
zone secara berturut-turut adalah 60 dan 6 kW. Ruang tersebut dijaga
dalam suhu 18oC dengan RH 50%. Kondisi udara lingkungan adalah suhu 30oC
dengan RH =70%. Untuk keperluan ventilasi digunakan campuran udara
lingkungan dengan udara resirkulasi dengan perbandingan 1:4. Tentukan
kondisi udara sebelum melalui koil (evaporator) dan suhu udara setelah
melalui koil.
7. Jika perolehan (beban) panas dalam suatu ruang yang menggunakan
pengkondisian udara zone tunggal adalah sebagai berikut: panas sensibel
60 kW dan panas laten 5 kW. Kondisi udara yang diinginkan dari ruangan
tersebut adalah 25oC dan RH 60%, sedangkan kondisi udara luar adalah
35oC dan RH 60%. Misalnya syarat ventilasi untuk ruangan tersebut
adalah: udara luar : udara resirkulasi = 1 : 7. Tentukan: (a) suhu udara
masuk koil pendingin dan (b) suhu udara meninggalkan koil pendingin
Sumber ; http://tptusmkn1cimahi.blogspot.co.id/p/dasar-dasar-pendingin-dan-tata-udara.html
http://tptusmkn1cimahi.blogspot.co.id/p/dasar-dasar-pendingin-dan-tata-udara.html