bab 9. pengkondisian udara

BAB 9. PENGKONDISIAN UDARA
Tujuan Instruksional Khusus
Mmahasiswa mampu melakukan perhitungan dan analisis pengkondisian
udara. Cakupan dari pokok bahasan ini adalah prinsip pengkondisian
udara, penggunaan diagram psikrometri, penghitungan beban
pendinginan sensibel dan laten.
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 yang 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. memperlihatkan komponen
utama dari skema sistem pengkondisian.
Komponen sistem pengkondisian udara
adalah:
a. sistem pembangkit kalor, mesin
refrigerasi, menara pendingin dan
ketel uap
b. sistem pipa: pipa air dan pipa
refrigerasi dan pompa
c. pengkondisian udara: saringan udara,
pendingin udara, pemanas udara dan
pelembab udara
d. sistem saluran udara: kipas dan
saluran udara
Gambar 9.1. Sistem pengkondisian 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.
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).
Gambar 9.2 Diagram sistem pengkondisian
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 13 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 berubahubah. 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)
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..
Gambar 9.11. 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 masingmasing 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.