BAB II LANDASAN TEORI

BAB II
LANDASAN TEORI
Perencanaan pengkondisian udara dalam suatu gedung diperlukan suatu
perhitungan beban kalor dan kebutuhan ventilasi udara, perhitungan kalor ini
tidak lepas dari prinsip perpindahan panas yang meliputi 3 hal yaitu konduksi,
konveksi dan radiasi. Disamping itu perlu juga pemilihan sistem, pemilihan unit
dan penempatan unit yang tepat.
2.1 Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
Refrigerasi dan pengkondisian udara merupakan suatu proses yang saling
berkaitan satu sama lain, akan tetapi masing-masing mempunyai ruang lingkup
yang berbeda-beda. Refrigerasi merupakan proses penurunan temperatur dan
menjaga agar temperatur ruang atau bahan yang ada di ruangan tetap berada
dibawah temperatur sekelilingnya. Dengan kata lain ruang lingkup teknik
refrigerasi adalah pada proses pendinginan. Bidang penerapannya banyak
dijumpai pada industri pengawetan makanan (cold storage), industri bahan kimia
dan lain-lain. Sedangkan teknik pengkondisian udara tidak hanya mendinginkan
udara, tetapi penekanannya pada kenyamanan pengguna atau pemakai (Comfort
Air Conditioning). Menurut definisi pengkondisian udara adalah pengaturan
simultan terhadap temperatur, kelembaban, aliran dan kebersihan udara di dalam
suatu ruangan. Pengkondisian udara juga mencakup usaha pemanasan atau
penghangatan ruangan. Penerapan pengkondisian udara banyak dijumpai pada
pusat perbelanjaan, rumah tinggal, perhotelan, dan perkantoran.
5
2.2. Definisi dari Penyegaran Udara
Penyegaran udara adalah suatu proses mendinginkan udara sehingga dapat
mencapai temperatur dan kelembaban yang sesuai dengan persyaratan kondisi
udara dari suatu ruangan tertentu yang dapat mengatur aliran udara dan
kebersihannya.
Sistem penyegaran udara pada umumnya di bedakan menjadi 2 (dua) jenis
golongan, yaitu :
a. Penyegaran udara untuk kenyamanan
Yaitu penyegaran yang fungsi utamanya mengatur suhu dalam ruangan
yang memberikan kenyamanan bagi penghuni atau pemakainya dalam
melakukan aktifitas tertentu.
b. Penyegaran udara untuk industri
Yaitu penyegaran udara dari ruangan yang di fungsikan untuk menontrol
suhu suatau perangkat yang ada di dalamnya. Biasanya peralatan –
peralatam terebut tidak kuat akan suhu yang terlalu tinggi.
2.3. Kriteria kenyamanan
Tubuh manusia adalah penghasil panas yang diperoleh dari proses
metabolisme tubuh, tubuh manusia juga harus mengeluarkan panas sebagai akibat
dari kerja yang dilakukannya. Jika panas tersebut tidak dapat keluar dari tubuh
manusia, misalnya karena temperatur dan kondisi udara sekelilingnya tidak
memungkinkan hal tersebut terjadi dengan baik, maka ia akan merasakan suatu
keadaan yang tidak menyenangkan. Tubuh manusia memiliki kemampuan untuk
6
menyesuaikan diri dengan lingkungannya. Dalam lingkungan yang dingin saluran
darah akan mengerut untuk mengurangi kerugian panas yang diakibatkan oleh
radiasi dari kulit. Oleh karena itu permukaan kulit akan menjadi lebih ringan.
Sebaliknya,
dalam
lingkungan
yang
panas
saluran
darah
akan
mengembang sehingga radiasi dari kulit akan bertambah besar. Selanjutnya dalam
lingkungan yang lebih panas, tubuh akan berkeringat dan proses penguapan
keringat akan mendinginkan kulit.
Faktor-faktor yang mempengaruhi kenyamanan manusia dalam menjalankan
aktifitasnya antara lain :
- Temperatur udara kering
- Kelembaban udara
- Pergerakan udara (kecepatan udara)
- Aktifitas orang
- Pasokan udara segar
- Pasokan udara bersih
- Tingkat kebisingan
- Tingkat pencahayaan yang mencukupi
- Sarana dan peralatan yang memadai dalam melakukan aktifitas
Faktor yang mempengaruhi kenyamanan termal
2.3.1. Temperatur udara kering.
Temperatur udara kering sangat besar pengaruhnya terhadap besar
kecilnya kalor yang dilepas melalui penguapan (evaporasi) dan melalui konveksi.
Daerah kenyamanan termal untuk daerah tropis dapat dibagi menjadi beberapa
7
bagian, antara lain :
1. Sejuk nyaman, antara temperatur efektif 20,5ºC ~ 22,8ºC
2. Nyaman optimal, antara temperatur efektif 22,8ºC ~ 25,8ºC
3. Hangat nyaman, antara temperatur efektif 25,8ºC ~ 27,1ºC
Evaporasi (penguapan) dari tubuh manusia akan berlangsung cepat bila
kelembaban relatif udara adalah rendah dan menyebabkan tubuh dapat mengatasi
kehilangan panas dibawah temperatur sangat tinggi dari bola kering jika
kelembaban relatif sekitar 40%. Disisi lain temperatur bola kering sangat rendah
(sekitar 18ºC atau 64,4ºF) kondisi ini tidak akan nyaman bila kelembaban
relatifnya diatas 65 %. Dibawah ini adalah grafik yang menunjukkan zona
nyaman untuk manusia.
Gambar 2.1 Grafik zona nyaman manusia. Air Conditioning Clinic (Juli 2000).
Cooling Load. North American Group The Trane Company.
8
Sesuai dengan gambar 2.1 maka dapat diketahui bahwa tubuh manusia
akan merasa nyaman apabila berada pada kondisi temperatur 70ºF DB (21.2ºC)
sampai dengan temperatur 80ºF DB (26,7ºC) dan kelembaban relatif udara sekitar
30% - 60% RH.
2.3.2. Kelembaban udara relatif dalam ruangan.
Kelembaban udara relatif dalam ruangan adalah perbandingan antara
jumlah uap air yang dikandung oleh udara tersebut dibandingkan dengan jumlah
kandungan uap air pada keadaan jenuh pada temperatur udara ruangan tersebut.
Untuk daerah tropis kelembaban udara relatif yang dianjurkan antara 40% ~ 50%,
tetapi untuk ruangan yang jumlah orangnya padat seperti ruang pertemuan,
kelembaban udara relatif masih diperbolehkan berkisar antara 55% ~ 60%.
2.3.3. Pergerakan udara (Kecepatan udara)
Untuk mempertahankan kondisi nyaman, kecepatan udara yang jatuh
diatas kepala tidak boleh besar dari 0,25 m/detik (49,21 fpm) dan sebaiknya lebih
kecil dari 0,15 m/detik (29,52 fpm). Kecepatan udara ini dapat lebih besar dari
0,25 m/detik tergantung dari temperatur udara kering rancangan (Tabel 2.3.3).
Tabel 2.1 Kecepatan udara dan kesejukan
Kecepaan udara, m/detik
0.1
0.2
0.25
0.3
0.35
Temperatur udara kering, °C
25
26.8
26.9
27.1
27.2
9
Kebutuhan peningkatan kecepatan udara untuk mengkompensasi kenaikan
temperatur udara kering agar tingkat kenyamanannya tetap terpelihara
ditunjukkan dalam gambar dibawah ini.
Gambar 2.2 : Kebutuhan peningkatan kecepatan udara untuk mengkompensasi
kenaikan temperatur udara kering
Keterangan :
Misalnya temperatur udara kering dalam ruangan berubah dari 25°C menjadi
27,2°C atau naik 2,2 °C untuk mengkompensasi kenaikan temperatur ini maka
kecepatan udara yang mula-mula hanya 0,15 m/detik harus dinaikkan menjadi
0,625 m/detik.
10
2.3.4 Radiasi permukaan yang panas.
Apabila didalam suatu ruangan dinding-dinding sekitarnya panas, akan
mempengaruhi kenyamanan seseorang didalam ruangan tersebut misalnya dekat
dapur ataupun oven. Usahakan temperatur radiasi rata-rata sama dengan
temperatur udara kering ruangan. Apabila temperatur radiasi rata-rata lebih tinggi
dari temperatur udara kering ruangan, maka temperatur udara ruangan rancangan
dibuat lebih rendah dari temperatur rancangan biasanya.
2.3.5. Aktivitas orang.
Untuk perhitungan sistem pengkondisian udara, orang lebih tertarik
terhadap besarnya kalor yang dihasilkan dari seseorang pada suatu aktifitas
tertentu. Besarnya kalor total yang dihasilkan untuk suatu aktivitas yang
dilakukan oleh seorang pria dewasa. Untuk wanita dewasa dapat diambil 85% dari
kalor yang dihasilkan pria dewasa dan anak-anak diambil 75% dari kalor yang
dihasilkan pria dewasa akan ditunjukkan oleh tabel dibawah ini.
11
Tabel 2.2. Laju Pertambahan Kalor dari Penghuni dalam Ruang yang
dikondisikan.
Keterangan :
- Nilai dalam tabel didasarkan pada temperatur udara kering 75°F
(23,88°C). Untuk 80°F (26,66°C) temperatur udara kering, total
panas tetap sama, tetapi nilai kalor sensibel harus diturunkan
mendekati 20% dan nilai kalor laten menyesuaikan naik.
2.3.6. Pasokan udara segar (Fresh air) berdasarkan jenis hunian
Untuk mengambil perolehan kalor yang terjadi di dalam ruangan,
diperlukan laju aliran udara dengan jumlah tertentu untuk menjaga supaya
12
temperatur udara di dalam ruangan tidak bertambah melewati harga yang
diinginkan. Jumlah laju aliran udara yang perlu disediakan oleh sistem
ventilasi mengikuti persyaratan pada tabel 2.2
Tabel 2.3. Kebutuhan laju udara ventilasi
13
2.4.
Sistem Kompresi Uap
Daur kompresi uap merupakan daur yang banyak digunakan dalam
refrigerasi. Pada daur ini uap ditekan, dan kemudian diembunkan menjadi cairan,
kemudian tekanannya diturunkan agar cairan tersebut dapat menguap kembali.
Sistem kompresi uap sederhana terlihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.3. Sistem refrigerasi siklus kompresi uap (Stoecker, 1992 : 187)
14
Gambar 2.2. Siklus refrigerasi termasuk perubahan tekanannya
Siklus refrigerasi kompresi uap memiliki dua keuntungan. Pertama,
sejumlah besar energi panas diperlukan untuk merubah cairan menjadi uap, dan
oleh karena itu banyak panas yang dapat dibuang dari ruang yang disejukkan.
Kedua, sifat-sifat isothermal penguapan membolehkan pengambilan panas tanpa
menaikan suhu fluida kerja ke suhu berapapun didinginkan. Hal ini berarti bahwa
laju perpindahan panas menjadi tinggi, sebab semakin dekat suhu fluida kerja
mendekati suhu sekitarnya akan semakin rendah laju perpindahan panasnya.
Siklus refrigerasi ditunjukkan dalam Gambar 2.3 dan 2.4 serta dapat dibagi
menjadi tahapan-tahapan sebagai berikut :
1 – 2 Cairan refrigeran dalam evaporator menyerap kalor dari sekitarnya,
biasanya udara, air atau cairan proses lain. Selama proses ini cairan
15
merubah bentuknya dari cair menjadi gas, dan pada keluaran
evaporator gas ini diberi pemanasan berlebih/ superheated gas. Besarnya
kalor yang diserap adalah beda entalpi antara titik 1 dan titik 2 ini biasa
disebut dengan efek pendinginan.
2 – 3 Uap yang diberi panas berlebih masuk menuju kompresor dimana
tekanannya dinaikkan. Suhu juga akan meningkat, sebab bagian energi
yang menuju proses kompresi dipindahkan ke refrigeran.
3 – 4 Superheated gas bertekanan tinggi lewat dari kompresor menuju
kondenser. Bagian awal proses refrigerasi (3-3a) menurunkan panas
superheated gas sebelum gas ini dikembalikan menjadi bentuk cairan
(3a-3b). Refrigerasi untuk proses ini biasanya dicapai dengan
menggunakan udara atau air. Penurunan suhu lebih lanjut terjadi pada
pekerjaan pipa dan penerima cairan (3b-4), sehingga cairan refrigeran
didinginkan ketingkat lebih rendah ketika cairan ini menuju alat ekspansi.
4 – 1 Cairan yang sudah didinginkan dan bertekanan tinggi melintas melalui
peralatan ekspansi, yang mana akan mengurangi tekanan dan
mengendalikan aliran menuju evaporator.
2.5.
Komponen-komponen utama siklus kompresi uap
Pada sistem refrigrasi mekanik kompresi uap terdapat rangkaian dari
empat komponen utama, yaitu : kompresor, kondenser, evaporator dan katup
ekspansi. Masing-masing komponen mempunyai ciri dan fungsi sendiri-sendiri
yang berbeda, tetapi secara terintegrasi dan dioperasikan bersama-sama akan
16
dapat memindahkan energi termal. Dampak dari pengoperasian sebuah sistem
refrigerasi pada sebuah obyek adalah bila terambil sebagian energi yang
terkandung di dalamnya, suhu obyek tersebut akan menurun. Sebaliknya, karena
operasi sistem refrigerasi itu kemudian sejumlah energi termal terpindahkan ke
lingkungan, maka lingkungan tersebut dapat menjadi lebih hangat.
Berikut ini adalah uraian ringkas tentang komponen-komponen utama sebuah
sistem refrigerasi mekanik.
2.5.1 Kompresor
Kompresor adalah komponen yang merupakan jantung dari sistem
refrigerasi. Kompresor bekerja menghisap uap refrigeran dari evaporator dan
mendorongnya dengan cara kompresi agar mengalir masuk ke kondenser. Karena
kompresor mengalirkan refrigeran sementara piranti ekspansi membatasi
alirannya, maka di antara kedua komponen itu terbangkitkan perbedaan tekanan,
yaitu: di kondenser tekanan refrigeran menjadi tinggi (high pressure – HP),
sedangkan di evaporator tekanan refrigeran menjadi rendah (low pressure – LP).
2.5.2 Kondenser
Kondenser adalah komponen di mana terjadi proses perubahan fasa
refrigeran, dari fasa uap menjadi fasa cair. Dari proses kondensasi (pengembunan)
yang terjadi di dalamnya itulah maka komponen ini mendapatkan namanya.
Proses kondensasi akan berlangsung apabila refrigeran dapat melepaskan kalor
yang dikandungnya. Kalor tersebut dilepaskan dan dibuang ke lingkungan. Agar
17
kalor dapat lepas ke lingkungan, maka suhu kondensasi (Tkd) harus lebih tinggi
dari suhu lingkungan (Tling). Karena refrigeran adalah zat yang sangat mudah
menguap, maka agar dapat dikondensasikan haruslah dibuat bertekanan tinggi.
Maka, kondenser adalah bagian di mana refrigeran bertekanan tinggi (Pkd = high
pressure–HP).
2.5.3. Evaporator
Evaporator adalah komponen di mana cairan refrigeran yang masuk ke
dalamnya akan menguap. Proses penguapan (evaporation) itu terjadi karena
cairan refrigeran menyerap kalor, yaitu yang merupakan beban refrigerasi sistem.
Terdapat dua jenis evaporator yaitu:
• Evaporator ekspansi langsung
Pada evaporator ini terdapat bagian, yaitu di bagian keluarannya, yang dirancang
selalu terjaga ‘kering’, artinya di bagian itu refrigeran yang berfasa cair telah
habis menguap sebelum terhisap keluar ke saluran masuk kompresor.
• Evaporator genangan
Pada evaporator jenis ini seluruh permukaan bagian dalam evaporator selalu
dibanjiri, atau bersentuhan, dengan refrigeran yang berbentuk cair. Terdapat
sebuah tandon (reservoir, low pressure receiver), di mana cairan refrigeran
terkumpul, dan dari bagian atas tandon tersebut uap refrigeran yang terbentuk
dalam evaporator tersebut dihisap masuk ke kompresor.
18
2.5.4 Katup ekspansi
Katup ekspansi ini berfungsi seperti sebuah gerbang yang mengatur
banyaknya refrigeran cair yang boleh mengalir dari kondenser ke evaporator. Oleh
sebab itu piranti ini sering juga dinamakan refrigerant flow controller. Dalam
berbagai buku teks Termodinamika, proses yang berlangsung dalam piranti ini
biasanya disebut throttling process. Besarnya laju aliran refrigeran merupakan
salah satu faktor yang menentukan besarnya kapasitas refrigerasi. Untuk sistem
refrigerasi yang kecil, maka laju aliran refrigeran yang diperlukan juga kecil saja.
Sebaliknya unit atau sistem refrigerasi yang besar akan mempunyai laju aliran
refrigeran yang besar pula. Terdapat beberapa jenis katup ekspansi. Di bawah ini
diterangkan beberapa di antaranya.
a. Pipa kapiler
Berupa pipa kecil dari tembaga dengan lubang berdiameter sekitar 1 mm, dengan
panjang yang disesuaikan dengan keperluannya hingga beberapa meter. Pada
berbagai unit refrigerasi yang menggunakannya pipa ini biasanya diuntai agar
terlindung dari kerusakan dan ringkas penempatannya. Lubang saluran yang
sempit dan panjangnya pipa kapiler ini merupakan hambatan bagi aliran refrigeran
yang melintasinya; hambatan itulah yang membatasi besarnya aliran itu. Pipa
kapiler ini menghasilkan aliran yang konstan.
19
b. Katup ekspansi termostatik
yaitu pengatur aliran yang berupa katup, yang dioperasikan untuk mengatur
bukaannya secara termostatik, yaitu mempunyai sensor suhu yang dilekatkan pada
bagian keluaran evaporator.
20