FTI-ITS2005 505 - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Prosiding Seminar Nasional XII - FTI-ITS
Surabaya, 29-30 Maret 2005
© FTI-ITS 2005
ISBN : 979-545-037-9
Strategi Konservasi Energi:
Pendekatan Geometri Skyscraper sebagai Respon Iklim
Tropis Lembab
FX Teddy Badai Samodra
Program Studi Pascasarjana
Arsitektur Lingkungan - ITS
Kontak Person:
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS – Sukolilo, Surabaya 60111
Telp: 08155145185, E-mail: [email protected]
Abstrak
Bangunan sebagai kulit ketiga merupakan indikator kualitas arsitektur dalam
mengakomodasi potensi fisik. Potensi fisik yang dimiliki adalah bentuk dan pola ilustrasi
dan implementasi desain. Dalam konteks arsitektur berkelanjutan, bagaimana bentuk
mendeskripsikan hal tersebut?
Energi, iklim adalah issue proyeksi arsitektur, issue ini dieksposisikan sebagai patokan
kualitas arsitektur masa datang. Patokan ini didasari oleh variabel bentuk geometri
(shape) sebagai pengukurnya dan konservasi sebagai kunci utama.
Skyscraper merupakan aplikasi dari solusi kebutuhan ruang pada dunia yang makin
meng-kota. Ken Yeang (1994), menterjemahkan konsep ini sebagai bentuk penyelesaian
bioclimatic dalam desain bangunan yang menawarkan respon terhadap iklim tropis
lembab. Konsep arsitektur langsing (skyscraper) menjadi terobosan Kean Yeang untuk
menjadi jembatan antara kebutuhan kualitas arsitektur (kenyamanan fisik dan psikis) dan
kebutuhan ruang.
Atas dasar inilah konsep geometri menjadi solusi konservasi energi dalam konsep respon
terhadap iklim (terutama di daerah topis lembab untuk bangunan skyscraper). Namun
pada prinsipnya, dalam konsep ini, kita perlu menelusuri apakah aspek geometri
(orientasi, luasan perimeter) dapat memberikan kontribusi konservasi energi dengan
adanya konsep arsitektur langsing, hal ini seperti dalam konsep selective mode (Dean
Hawkes) yang melihat elemen geometri tersebut sebagai aspek yang krusial dan memiliki
potensi merespon iklim. Geometri atau bentuk bangunan skyscraper menjadi aspek yang
memiliki prospek untuk memberikan klarifikasi dalam pemecahan konsep konservasi
energi.
Berdasarkan latar belakang di atas, indikasi permasalahan diarahkan pada bagaimana
geometri dapat merespon iklim tropis lembab pada bangunan skyscraper. Selain itu,
bagaimana upaya merespon iklim dalam konsep bioclimatic dapat menjadi strategi
konservasi energi.
Dalam kontrol lingkungan, permasalahan konservasi energi akan bervariasi dan sangat
subjektif. Aplikasi energi juga diposisikan pada kenyataan penggunaan yang berbeda
sesuai musim pada kedua mode aplikasi. Dalam exclusive mode, puncak kebutuhan
energi akan menjadi kecil dan tidak akan menjadi subjek dari variasi musim., sedang
pada selective mode penggunaan energi untuk pemanasan dan pendinginan perlu
mempertimbangkan kenyamanan lingkungan sebagai bagian yang substansial.
Pembahasan pada analisa selective mode, kontrol lingkungan dilakukan dengan
kombinasi cara manual dan otomatis serta mempertimbangkan variabel orientasi (Dean
Hawks, 1996). Di sini, dijelaskan bentuk dan kebutuhan shading untuk energi untuk
daerah tropis lembab termasuk rasio orientasi dan struktur (core) skyscraper yang
505 – 1
FX Teddy Badai Samodra
mempengaruhi geometri (Kean Yeang, 1994). Ken Yeang mendeskripsikan konsep desain
bioclimatic dalam beberapa aspek tentang geometri bangunan: Service cores,
orientation, window openings, balconies, transitional spaces, relationship to the street,
passive shading devices, insulation and heat stores.
Secara garis besar metode pendekatan konservasi energi melibatkan tiga langkah utama
untuk mencapai tujuan, yaitu prediksi respon iklim tropis lembab dalam bangunan, yang
terdiri dari tahap identifikasi dan spesifikasi (evaluasi kondisi iklim setempat termasuk
potensinya untuk pendinginan pasif), tahap simulasi (realisasi model simulasi kelakukan
panas dan sistem optimasinya dalam perencanaan bangunan atau eksplorasi desain),
tahap optimasi (evaluasi untuk mendapatkan optimasi aspek panas dalam bangunan
pada strategi perencanaan arsitektur dan konsep merespon iklim tropis lembab
skyscraper dalam mengkonservasi energi). Metodologi untuk menganalisa konsep
diarahkan dengan membuat korelasi antara variabel geometri skyscraper dengan iklim
tropis lembab dan energi. Geometri skyscraper dijabarkan dalam sub variabel orientasi,
luas perimeter (atap, sistem konstruksi kulit bangunan), dan pertukaran udara. Elemenelemen tersebut merupakan variabel bebas yang mempengaruhi variabel terikat yaitu
respom iklim tropis lembab dan energi. Kajian pembahasan ini diharapkan memberikan
jawaban spesifik tentang konsep geometri pada skyscraper sebagai solusi kebutuhan
ruang sekaligus strategi merespon iklim tropis lembab dan upaya mengkonservasi energi.
Kata kunci: bioclimatic, geometri, konservasi energi, skyscraper, tropis lembab
1 PENDAHULUAN
Dalam kontrol lingkungan, permasalahan konservasi energi akan bervariasi dan sangat subjektif.
Aplikasi energi juga diposisikan pada kenyataan penggunaan yang berbeda sesuai musim pada setiap
mode pendekatan. Dalam exclusive mode, puncak kebutuhan energi akan menjadi kecil dan tidak akan
menjadi subjek dari variasi musim., sedang pada selective mode penggunaan energi untuk pemanasan
dan pendinginan perlu mempertimbangkan kenyamanan lingkungan sebagai bagian yang substansial.
Berdasarkan mode di atas pemasahan akan terdeteksi ketika kita melihat skyscraper
mengimplementasikan metode pemecahan / respon iklim tropis lembab. Kita tahu luasan perimeter
bangunan tipe ini sangat luas, radiasi yang masuk sangat besar.
Skyscraper merupakan aplikasi dari solusi kebutuhan ruang pada dunia yang makin meng-kota.
Bertentangan dengan konsep Dean Hawkes, Ken Yeang (1994) menterjemahkan konsep ini sebagai
bentuk penyelesaian bioclimatic dalam desain bangunan yang menawarkan respon terhadap iklim
tropis lembab. Geometri/bentuk bangunan skyscraper menjadi aspek yang memiliki prospek untuk
memberikan klarifikasi dalam pemecahan konsep konservasi energi.
Konsep arsitektur langsing (skyscraper) menjadi terobosan Kean Yeang untuk menjadi jembatan
antara kebutuhan kualitas arsitektur (kenyamanan fisik dan psikis) dan kebutuhan ruang dalam dunia
yang makin meng-kota.
Atas dasar inilah konsep geometri menjadi suatu kontradiksi solusi konservasi energi dalam konsep
respon terhadap iklim (terutama di daerah topis lembab untuk bangunan skyscraper). Namun pada
prinsipnya, pada konsep ini kita perlu menelusuri apakah aspek geometri (orientasi, luasan perimeter)
dapat memberikan konstribusi konservasi energi dengan adanya konsep arsitektur langsing, hal ini
seperti dalam konsep selective mode (Dean Hawkes) yang melihat elemen geometri tersebut sebagai
aspek yang krusial dan memiliki potensi merespon iklim.
505 – 2
Strategi Konservasi Energi: Pendekatan Geometri Skyscraper sebagai Respon Iklim Tropis Lembab
2 LANDASAN TEORI
2.1 Pendekatan Kontrol Lingkungan
Strategi konservasi energi dengan pendekatan geometri dapat ditinjau dalam mode exclusive dan
selective. Pola-pola pendekatan mode ini menurut Dean Hawkes sebagai bentuk seleksi bagi bangunan
sesuai kondisi lingkungan dan iklim yang ada pada tempat tersebut.
Tabel 1. Mode pendekatan energi
exclusive mode
Lingkungan secara otomatis mengkontrol dan
didominasi oleh aspek artifisial
Shape merupakan komposisi yang compact, sebagai
upaya meminimalisasi interaksi lingkungan dalam
Orientasi relatif tidak penting
Jendela/bukaan secara umum ukurannya terbatas
Energi bersumber pada generated energi dan
jumlahnya yang digunakan relatif konstan pada
satu tahun.
selective mode
Lingkungan dikontrol oleh kombinasi cara manual
dan otomatis dan merupakan variabel campuran dari
cara alami dan buatan.
Shape merupakan komposisi yang menyebar
sebagai upaya memaksimalkan penggunaan ambient
energi.
Orientasi merupakan faktor yang krusial
Jendela/bukaan akan luas pada fasade selatan dan
terbatas di belahan utara. Kontrol terhadap matahari
diperlukan untuk menghindari efek pemanasan pada
musim panas.
Energi merupakan kombinasi ambient dan
generated energy. Penggunaannya mengalami
puncak pada musim dingin dan free running pada
musim panas.
2.2 Kebutuhan Energi
Kebutuhan energi berdasarkan bentuk geometrI dan orientasi menurut Dean hawkes memiliki
koefisien pelepasan panas sebagai berikut:
Tabel 2: Kebutuhan energi pada bentuk bangunan
No.
Bentuk
Koefisien heat loss
(W/0C/m2)
1.
Square plan
0.81
2.
Rectangle 4:1
0.64
3.
Triangle
0.63
Kebutuhan energi diindikasikan oleh beberapa variabel :
1. proteksi dinding
2. indoor temperatur
3. shading
Perbedaan zona iklim memberikan efek pada penempatan orientasi bangunan. Konfigurasi bangunan
pada dasarnya mengakomodasi distribusi massa untuk menerima solar shading yang maksimum atau
respek terhadap solar gain. Pada letak lintang yang rendah (dekat katulistiwa), permukaan diupayakan
untuk memiliki perbandingan yang kecil dengan minimalisasi eksposure pada arah barat dan tiimur.
Pada letak lintang yang tinggi, bentuk mengarah pada komposisi silindris (1 : 1 ratio), permukaan
memiliki kemampuan untuk menggunakan solar gain sebesarnya. Menurut Ken Yeang (1994), pada
masing-masing zona iklim di atas, orientasi memiliki penekanan directional pada posisi lintang untuk
merespon solar gain.
Tabel 3: Orientasi bangunan dalam konservasi energi
Zone
Orientasi utama bangunan
Cold
Pada axis facing south
Temperate
Pada axis 180 north of east
Arid
Pada axis 250 norht of east
Tropical
Pada axis 50 north of east
505 – 3
Directional emphasis
South
South-South-East
South-East
North-South
FX Teddy Badai Samodra
Bentuk intepretasi iklim tidak hanya mempertimbangkan kondisi global area iklim, namun pada
perkembangan desain, ekspos permukaan memiliki kontribusi dalam merespon iklim. Variabel yang
menentukan adalah:
basic floor surface (bentuk dasar yang mendeskripsikan permukaan)
floor size (ukuran luasan lantai)
wall surface (luas permukaan dinding)
Untuk daerah tropis lembab, kebutuhan pembayangan ditentukan pada masing-masing fasade,
khusunya yang memiliki perimeter terhadap orientasi matahari.
3 METODE PENDEKATAN
Secara garis besar metode pendekatan ini melibatkan tiga langkah utama untuk mencapai tujuan, yaitu
prediksi respon iklim tropis lembab dalam bangunan, yang terdiri dari :
1. Tahap identifikasi dan spesifikasi, evaluasi kondisi iklim setempat termasuk potensinya untuk
pendinginan pasif.
2. Tahap simulasi, realisasi model simulasi kelakukan panas dan sistem optimasinya dalam
perencanaan bangunan (eksplorasi desain).
3. Tahap optimasi, evaluasi untuk mendapatkan optimasi aspek panas dalam bangunan pada
strategi perencanaan arsitektur dan konsep merespon iklim tropis lembab skyscraper dalam
mengkonservasi energi.
STUDI KASUS OBJEK : MENARA BUDAYA MALAYSIA
ARSITEK
: KEAN YEANG
IDENTIFIKASI
INFORMASI SPESIFIKASI
TYPE BANGUNAN
LOKASI
MONTH OBSERVATION
OFFICE
KUALALUMPUR
BULAN TERPANAS
(www.skyscraper.com)
Tabel 4. Spesifikasi variabel objek
N0.
1.
OBJEK SIMULASI
SPESIFIKASI
ORIENTASI: SOUTH WEST
BARAT
LUASAN BUKAAN KACA 80 %
LUASAN DINDING 10%
UTARA-SELATAN-BARAT
LUASAN BUKAAN KACA 10%
LUASAN DINDING 80%
505 – 4
Strategi Konservasi Energi: Pendekatan Geometri Skyscraper sebagai Respon Iklim Tropis Lembab
2.
ORIENTASI: SOUTH EAST (EKSISTING)
LUASAN BUKAAN KACA 80 %
LUASAN DINDING 10%
UTARA-TIMUR-BARAT
LUASAN BUKAAN KACA 10%
LUASAN DINDING 80%
IDENTIFIKASI BAHAN:
DINDING, Brick single 120 mm, plastered both sides, @ 15 mm
WINDOW, wood frame, single, clear glass, 6mm
FLOOR, concrete slab on ground, 4 edges exposed
ROOF, flat, concrete slab, plastered, 150 mm, screed+asphalt 75 mm
ANALISA OPTIMASI OBJEK
1. ANALISIS TEMPERATUR INDOOR
Dari proses simulasi objek di atas, kita bisa membuat suatu komparasi temperatur indoor masingmasing objek terhadap To (outdoor) dan rentang kenyamanan (± 260c) dalam grafik berikut:
PROFIL TEMPERATUR 24 JAM
50
To
48
46
Ti Objek1
TEMPERATUR (DEG C)
44
42
Ti Objek2
40
38
36
Ambang
Atas
Nyaman
34
32
30
Ambang
Bawah
Nyaman
28
26
24
22
20
HOURS
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Gambar 1. Grafik rasio temperatur objek
505 – 5
FX Teddy Badai Samodra
Temperatur indoor yang dihasilkan oleh kedua objek menunjukkan fenomena overheating. Rentang
kenyamanan yang dihasilkan oleh masing-masing objek diidentifikasi pk.01.00 s/d pk. 06.00 dan pk.
21.00 s/d pk 24.00
2. ANALISIS K-HOURS
K-HOURS
GRAFIK K-HOURS
190
185
180
175
170
165
160
155
150
145
140
135
130
125
120
115
110
105
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
177,74
149,52
OBJEK 1
OBJEK 2
To
24,4
Gambar 2. Grafik K-Hours pada objek studi
Dari gambar grafis di atas, diindikasikan bahwa konsep desain Kean Yeang (objek 2-eksisting)
ternyata lebih baik dari pada orientasi objek 1. hal ini terjadi karena:
1. Luasan perimeter pada global irradiance tertinggi sangat kecil
2. Pada bagian timur objek 2-eksisting, memiliki bukaan kaca lebih sedikit sedikit dibanding
dengan objek 1.
3. Nilai transmisi kaca (bukaan) lebih tinggi daripada dinding, sehingga panas matahari dari luar
akan masuk lebih tinggi pada perimeter dengan luasan kaca paling besar.
Dari simulasi (eksplorasi desain ) di atas, kita dapat menelusuri desain yang dilakukan Kean Yeang
pada Menara budaya, dalam suatu analisa konsep bioclimatic.
Konsep desain dengan penempatan area service pada area untuk memasukkan cahaya dan angin secara
alami selain memblokade heat gain yang berlebihan. Bentuk geometri merespon lingkungan (elips)
505 – 6
Strategi Konservasi Energi: Pendekatan Geometri Skyscraper sebagai Respon Iklim Tropis Lembab
Bentuk bangunan menentukan penempatan jendela:
o lighting
o shading/blocking radiasi
(a)
Sebagai acuan untuk mengarah ke konservasi energi, orientasi mempertimbangkan sunpath geometry.
Sebagai aplikasinya. bukaan pada bentuk bangunan tersebut diminimalisasi pada arah datangnya
radiasi.
(b)
Bentuk ellips bangunan meredusi radiasi dan mengoptimalkan aliran angin
Gambar 3a dan 3b. Konsep desain geometri skyscraper oleh Kean Yeang dalam merespon iklim
4 KESIMPULAN
Dari proses optimasi dengan menganalisis rasio antar variabel simulasi dapat ditarik kesimpulan untuk
menjawab permasalahan. Dalam kesimpulan ini ditetapkan adanya aspek arsitektur dalam sistem
konstruksi bangunan pada pembentukan kinerja termal bangunan dan hasil optimasi (sebagai bentuk
respon iklim tropis lembab dan konservasi energi) yang dikorelasikan dalam sistem rasio dari
beberapa metode penilaian optimasi secara umum (generalisasi).
1. Dari analisis temperature indoor, ternyata kedua objek simulasi tidak mampu memberikan
solusi reduksi termal yang ada pada temperature outdoor. Kedua objek menunjukkan
fenomena overheating yang lebih panjang dari pada periode nyaman. Hanya 42% waktu
505 – 7
FX Teddy Badai Samodra
dalam 24 jam yang memberikan peroide nyaman dan hal ini lebih singkat dari temperature
outdoor (54%)
2. Dari rasio antar profil konstruksi kulit bangunan berdasarkan orientasi, nilai K-Hours pada
orientasi objek 1 (eksisting), yaitu ke arah barat daya memberikan hasil lebih baik (paling
kecil) dibanding orientasi yang lain. Di sini, prinsip penahan laju panas, total resistance dari
konstruksi kulit ini cukup besar karena adanya dominasi dinding yang memiliki resistance
termal lebih baik terhadap kaca.
Dari studi referensial dan kasus, beberapa nilai strategis dalam konsep energi kaitannya dengan iklim
dan variabel geometri (dengan sub variabel orientasi dan sistem konstruksi kulit bangunan) dapat kita
observasi sebagai berikut:
1. Pembahasan arsitektur berkelanjutan diarahkan pada konsep arsitektur berkualitas dengan
inidikasi utama pada konservasi energi. Geometri bangunan merupakan salah satu indikator
respon iklim torpis lembab dalam konservasi energi.
2. Terdapat dua mode kontrol lingkungan:
exclusive mode (tergantung pada generated energy)
selective mode (penggunaan ambient energy- heat dan light).
3. Konservasi energi untuk daerah panas dikonsentrasikan dengan mengeliminasi solar heating,
sedang daerah dingin dengan maksimalisasi input radiasi.
4. Dalam konsep geometri bangunan skyscraper, struktur dan core dapat berperan untuk insulasi
panas untuk daerah tropis lembab.
5. Untuk bangunan skyscraper, fenomena yang berperan adalah orientasi. Ada dua aspek yang
dipertimbangkan yakni lighting dan radiasi, pemasukan cahaya alami perlu memperhatikan
solar heating. Pemanasan dapat dihapus dengan ventilasi alam (optimasi angin).
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
Alexander, Christopher, The Timeless Way of Building. New York, 1979
Frick, H. Eko Arsitektur kutipan dari Le Corbusier. 1922 – Ausblick auf eine Architektur.
Bauwelt Fundamente 2. Braunschweig, Wiesbaden, 1982
[3] Gibral, Kahlil, Sang Nabi. Edisi ke-12. Jakarta, 1995
[4] Hawkes, D., The Environmental Tradition. E & FN Sopon. London, 1996
[5] Markus,T.A, Morris, E.N. Building, Climate, and Energy. Pitman Published Limited. London,
1998
[6] Olgyay, Design with Climate. Van Nostrand Reinhod. New York, 1992
[7] Szokolay,S.V. Environmental Science Handbook. The Constuction Press. Lancaster, England,
1980
[8] Szokolay,S.V., Thermal Design of Buildings. RAIA Education Division. Australia, 1987
[9] www.ellipsis.com, Maret 2004
[10] www.skyscraper.com, Maret 2004
[11] Yeang, K., Bioclimatic Skyscraper. Ellipsis, 1994
505 – 8