PEMANFAATAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

## DALAM  STRATEGI PENELITIAN SIMULASI MODEL PADA TEKNOLOGI PENGHAWAAN RUANG
Sherlly Maulana 1
1 Dosen Fakultas Teknik, Universitas Medan Area ( maulanasherlly@gmail.com )

## ABSTRAK
Studi  ini  bertujuan  untuk  melakukan  tinjauan  pustaka  terhadap  penggunaan  teknologi  komputer,  khususnya penggunaan  simulasi  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  pada  pengembangan  strategi  rancangan penghawaan  alami.  Media  CFD  mengsimulasikan  gerak  fluida  berdasarkan  pada  suatu  kondisi  dengan menggunakan  dasar-dasar  perhitungan  fluida  bergerak.  Simulasi  CFD  dilakukan  melalui  tiga  tahapan,  yaitu preprocessing,  solving,  dan  postprocessing,  yang  menggunakan  perhitungan  matematika  dalam  menentukan kondisi batasan fluida pada obyek penelitian. Hasil simulasi CFD pada lingkup penelitian ini digunakan untuk memprediksi pergerakan angin di sekitar bangunan dan di dalam bangunan, sehingga dapat mengurangi tingkat kegagalan rancangan ventilasi alami pada bangunan. Pengembangan metode simulasi CFD perlu ditingkatkan, terutama dalam hal tingkat akurasi hasil penelitian. Saat ini, simulasi CFD masih memerlukan data pembanding untuk menilai akurasi hasil simulasi CFD.
Kata Kunci : Abu penghawaan alami, bangunan, fluida bergerak, simulasi CFD

## ABSTRACT
This  study  aims  to  conduct  a  literature  review  on  the  use  of  computer  technology,  especially  the  use  of simulation  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  on  the  development  of  natural  penghawaan  draft  strategy. Media CFD mengsimulasikan fluid motion based on a condition by using the basics of computation fluid move. CFD  simulation  is  performed  through  three  stages:  preprocessing,  solving,  and  postprocessing,  which  uses mathematical calculations to determine the condition of the fluid limits on the object of study.  CFD simulation results in the scope of this research are used to predict the movement of the wind around the building and inside the  building,  so  as  to  reduce  the  failure  rate  design  of  natural  ventilation  in  buildings.  Development  of  CFD simulation  methods  need  to  be  improved,  especially  in  terms  of  the  accuracy  of  the  results.  Currently,  CFD simulations still require comparative data to assess the accuracy of CFD simulation results.
Keywords: Abu penghawaan naturally, the building, the fluid moves, CFD simulation

## 1.   Pendahuluan
Indonesia  sebagai  salah  satu  negara tropis  memiliki  kesulitan  dalam  menciptakan kenyamanan  termal  ruang.  Bentuk  dan  model bangunan  yang  tidak  mampu  beradaptasi dengan  kondisi  iklim  mendorong  pengguna bangunan  untuk  menggukanan  teknologi penghawaan  ruang  secara  mekanik,  seperti alat  pengkondisian  udara  (air  conditioning). Kondisi  ini  mendorong  peningkatan  jumlah pemakaian  listrik  untuk  rumah  tangga  yang mencapai  40%  konsumsi  listrik  dunia (Santamouris, 2005).
Pengembangan  alternatif  rancangan untuk  mengurangi  penggunaan  energi  listrik pada  pada  bangunan  berkembang  sangat pesat.  Penelitian  lebih  difokuskan  kepada penerapan  ventilasi  alami  pada  bangunan dengan tujuan untuk mengurangi beban panas pada bangunan. Kubota dkk (2010) menyatakan  bahwa  pengurangan  konsumsi energi  dan  emisi  gas  rumah  kaca  merupakan keuntungan  penggunaan  ventilasi  alami  pada bangunan. Keuntungan
penggunaan penghawaan  alami  pada  bangunan  adalah:  1) mengurangi  biaya  operasional  bangunan;  2) meningkatkan tingkat kenyaman termal ruang;
dan  3)  kualitas  udara  yang  lebih  baik    (Aflaki dkk, 2015).
Penelitian
untuk mengembangkan alternatif  strategi  rancangan  penghawaan alami  bangunan  berkembang  pesat  sesuai dengan  perkembangan  teknologi  dan  ilmu pengetahuan.    Selain  mendapatkan  model rancangan penghawaan yang optimal, penelitian juga
diarahkan
untuk mengembangkan  metode-metode  penelitian untuk  menguji  atau  mengembangkan  teori- teori  yang  berhubungan  dengan  penghawaan alami pada bangunan.
Studi  ini  bertujuan  untuk  melakukan  tinjauan pustaka  terhadap  penggunaan  teknologi komputer,  khususnya  penggunaan  simulasi Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  dalam pengembangan metode penelitian pada strategi rancangan  penghawaan  alami  bangunan. Strategi  penelitian  simulasi  model  menjadi strategi  penelitian  yang  dipilih  dalam pembahasan

## 2.   Strategi Simulasi Model Pada Riset Arsitektur
Simulasi dan model pada riset arsitektur digunakan  sebagai  salah  satu  strategi penelitian  yang  berhubungan  dengan  skala ruang  dan  kerumitan  lingkup  penelitian. Secara  umum,  strategi  simulasi  dan  model dapat  digunakan  dalam  pengembangan  teori atau  menguji  suatu  teori  (Groat  dan  Wang, 2002).
Strategi  simulasi  model  berkembang dalam kegiatan penelitian yang membutuhkan argumentasi  logis,  eksperimental  riset,  dan korelasi  riset.  Clipson  pada  Groat  dan  Wang (2002) membagi simulasi model menjadi empat tipe: iconic, analog, operational, dan mathematical. Ikonik  dan  analog  digunakan  jika  obyek penelitian  berhubungan  langsung  dengan konteks  fisik.  Ikonik  digunakan  untuk melakukan uji material atau produk, sedangkan  analog  digunakan  untuk  menguji suatu  kondisi  fisik  tertentu.  Simulasi  model operasional  digunakan  jika  obyek  penelitian yang  diuji  berhubungan  dengan  interaksi manusia  pada  suatu  kondisi  fisik,  tetapi  lebih menekankan  pada  pengumpulan  data.  Model matematika  adalah  sistem  perhitungan  yang digunakan  untuk  mewadahi  hubungan- hubungan  di  kehidupan  nyata  yang  bersifat abstrak menjadi nilai-nilai kuantitatif.
Teknologi  komputer  yang  saat  ini mengalami  perkembangan  cukup  pesat,
terutama  dalam  hal  pengembangan  perangkat lunak (software), menjadikan teknologi komputer  sebagai  perangkat  taktis  dalam simulasi  model. Teknologi komputer  memiliki kemampuan  untuk  meniru  kondisi  nyata dengan  kondisi  buatan  yang  hampir  sama, baik  pada  skala  mikro  dan  makro,  sesuai dengan  perhitungan  operasional  yang  telah ditentukan.  Penggunaan  teknologi  komputer pada  simulasi  model  memberikan  kontribusi positif, terutama untuk mengurangi kesalahan rancangan pada bangunan.
Penggunaan  perangkat  lunak  pada simulasi  model  untuk  penelitian  pada teknologi  penghawaan  ruang  antara  lain adalah Computational Fluid Dynamics (CFD).

## 3.   Computational Fluid Dynamics (CFD)
Simulasi CFD saat ini banyak digunakan sebagai  salah  satu  metode  penelitian  dalam pengembangan alternatif
rancangan
penghawaan  alami.  Hal  ini  karena  simulasi CFD  relatif  lebih  murah  dan  kondisi  batasan obyek  penelitian  yang  mudah  dikontrol (Santamouris dan Allard, 1998).
Media  CFD  mengsimulasikan  gerak fluida berdasarkan pada suatu kondisi dengan menggunakan  dasar-dasar  perhitungan  fluida bergerak.  Simulasi  CFD  dapat  memprediksi secara rinci pergerakan angin (fluida bergerak) di  sekitar  obyek  penelitian,  baik  di  dalam maupun  di  luar  bangunan.  Jiang  dan  Chen (2001)  menyatakan  bahwa Large  Eddy Simulation (LES)  adalah  model  CFD  yang memiliki  akurasi  hasil  terbaik  dibandingkan dengan model CFD lainnya untuk kasus obyek penelitian  bangunan.  Selain  itu,  hasil  analisis CFD mudah untuk dipahami.
Namun demikian, karena model simulasi  CFD  menggunakan  banyak  asumsi, akurasi  model  tersebut  harus  divalidasi dengan  menggunakan  data  eksperimen lainnya  sebagai  pembanding,  seperti on-site experiment, wind-tunnel experiment, dan perhitungan
matematika
(numerical validation).
Simulasi  CFD  dilakukan  melalui  tiga tahapan,  yaitu preprocessing,  solving,  dan postprocessing (Tuaika,  2008). Preprocessing merupakan pembuatan model obyek penelitian dengan  format Computer  Aided  Design (CAD), membuat mesh sesuai  desain,  kemudian meenerapkan kondisi batas dan sifat fluidanya. Solvers (program  inti  pencari  solusi)  CFD menghitung  kondisi-kondisi  yang  diterapkan

## Pemanfaatan Computational Fluid Dynamics (CFD) Dalam Strategi Penelitian Simulasi Model Pada  Teknolgi Penghawaan Ruang
pada  saat preprocessing .  Sementara  itu, Postprocessing adalah  langkah  terakhir dalam  analisis  CFD.  Hal  yang  dilakukan  pada langkah  ini  adalah  mengorganisasi  dan menginterpretasi  data  hasil  simulasi  CFD berupa gambar, kurva, atau animasi.
Bu dan Kato (2011) melakukan penelitian tentang  efektifitas  ventilasi  satu  sisi  karena pergerakan  angin  pada  area  berkepadatan tinggi  (bangunan  tingkat  tinggi)  dengan building coverage area 33% melalui simulasi CFD dengan  model  LES  (Large-eddy  Simulation) (Gambar  1  dan  2).  Maulana,  dkk  (2013) menggunakan  simulasi  CFD  dengan  model Spallart-Allamars  pada  penelitian  dampak perancangan  tapak  pada  kinerja  ventilasi  satu sisi  di  bangunan  rumah  tinggal  di  Medan (Gambar  3  dan  4).  Hasil  simulasi  CFD menunjukkan  arah  dan  kecepatan  pergerakan angin pada tapak dan sekitar bangunan
Gambar 1.  Model penelitian Bu dan Kato (2011)
(a)
(b)
Gambar 2.  Hasil simulasi CFD Penelitian Bu dan Kato (2011)
Gambar  3.  Model tapak obyek penelitian Maulana, dkk (2013)
Gambar  4.  Hasil  simulasi  CFD  pada  obyek penelitian (Maulana, dkk, 2013)
Selain  obyek  penelitian  di  tingkat  skala mikro  (skala  tapak),  simulasi  CFD  optimal digunakan pada obyek penelitian ruang dalam bangunan (indoor). Shetabivash (2015) menggunakan  simulasi  CFD  dengan  model direct  numerical  simulation (DNS)  dan  model Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) sebagai data  pembanding.  Simulasi  ini  digunakan untuk  meneliti  letak  dan  bentuk  bukaan  pada ventilasi  silang.  Simulasi  dilakukan  dengan membuat beberapa alternatif peletakan bukaan pada  bangunan  yang  diuji  untuk  melihat pergerakan  angin  yang  optimal  pada  ruangan (Gambar 5).
a)  Denah  bangunan,  b)  dimensi  rencana tapak,  c) posisi bukaan pada bangunan
Gambar 5. Obyek penelitian Shetabivash  (2015
(a) (b)
Gambar 6.  Salah satu hasil simulasi CFD pada penelitian Shetabivash (2015)
4. Kesimpulan Penggunaan teknologi
komputer, khususnya Computational  Fluid  Dynamics (CFD),  pada  strategi  simulasi  model  dalam penelitian  rancangan  penghawaan  alami  pada bangunan  merupakan  salah  satu  kemajuan teknologi  informasi  yang  digunakan  dalam mengembangkan  metode  penelitian  teknologi bangunan.  Hasil  simulasi  CFD  dapat digunakan  untuk  memprediksi  pergerakan angin  di  sekitar  bangunan,  sehingga  dapat mengurangi  tingkat  kegagalan  rancangan ventilasi  pada  bangunan.  Pengembangan simulasi  CFD  perlu  ditingkatkan,  terutama dalam hal tingkat akurasi hasil penelitian.

## Daftar Pustaka
Aflaki  A,  dkk,  2015, A  review  on  natural ventilation  application  through  building facade components and ventilation openings in  tropical  climates, Jurnal Energy  and Buildings 101, hal. 153-162 Groat  L  dan  Wang  D,  2002, Architectural Research  Methods  1st  Edition, Wiley,
Washington
Maulana.  S,  Ramdan.  D,  Siregar.  N.  A,  2013, Impact  of  Site  Design  To  Single-sided Ventilation  Performance  on  Residential Building in Medan, Proceiding International Conference  on  Policy  and  Technology  for Affordable Housing, Medan M. Santamouris, 2005, Energy in the urban built environment: The role of natural ventilation, Natural ventilation in the urban environment:  assesment and design, hal. 1- 19
M.  Santamouris,  F.  Allard,  1998, Natural Ventilation  in  Buildings:  A  Design Handbook , James & James, London, UK. T.  Kubota,  D.T.H  Chyee,  2010, Potential  of Passive  Cooling  techniques  for  modern houses  in  tropical  climate  of  Malaysia- analysis  of  the  indoor  thermal  environment for  various  ventilation  strategies, Int.  J. Vent. 9 (1), hal 11-23.
Y. Jiang, Q. Chen, Study of natural ventilation in buildings by large eddy simu-lation, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 89 (2001) 1155– 1178.
Zhen  Bu,  Sasaki  Kato,  2011, Investigation  of Ventilation  Effectiveness  for  Wind-driven Single-Sided Ventilated Buildings Located in Urban Environment, International Journal of Ventilation Vol. 10 No. 1 Shetabivash,  H,  2015, Investigation  of  shape  and opening  position  on  natural  cross ventilation, Energy and buildings 93, hal 1- 15