Studi Numerik Pengaruh Geometri Supply Air Grille serta Variasi Kecepatan Udara Masuk Terhadap Distribusi Temperatur di Dalam Ruangan Terkondisi

## Andi Firdaus Sudarma dan Fajar Widianto
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana, Jakarta
E-mail: andi.firdaus@mercubuana.ac.id
Abstrak  – Sistem  pengkondisian  udara  adalah  fasilitas  utama  untuk  menciptakan kenyamanan termal pada suatu ruangan. SAG memegang peranan penting dalam  mengatur penyebaran  udara.  Dalam  penelitian  ini  dua  buah  tipe  SAG  dengan  geometri  berbentuk linear  dan  square  diteliti  secara  numerik.  Kecepatan  aliran  masuk  divariasikan  pada besaran  1,6,  3,1  dan  4,6  m/s  dipelajari  untuk  mengetahui  pengaruhnya  terhadap  distribusi temperatur.  Hasil  dari  simulasi  ditampilkan  dalam  bentuk  kontur  temperatur  pada  bidang horizontal  dan  gradien  temperatur  pada  posisi  vertikal.  Analisis  dilakukan  terhadap  hasil untuk  mengetahui  distribusi  temperatur  dan  besaran  temperatur  rata-rata  guna  terciptanya kenyamanan  termal.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  SAG  tipe  square  mampu mendistribusi  temperatur  lebih  merata  dibandingkan  tipe  linear.  Hasil  lainnya  juga memperlihatkan  bahwa  kenyamanan  diraih  oleh  tipe  square  pada  laju  aliran  yang  lebih rendah dibandingkan dengan tipe linear.
Kata  kunci: HVAC,  Supply  Air  Grille  (SAG),  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD), Distribusi temperatur, Kenyamanan termal

## I. Pendahuluan
Sistem  pengkondisian  udara  (AC)  adalah  salah  satu  fasilitas  yang  penting  untuk menciptakan  suhu  ruangan  yang  nyaman.  Umumnya  gedung  perkantoran  menggunakan sistem pengkondisian udara terpusat sebagai bagian dari sistem  HVAC ( Heating, Ventilating and  Air-Conditioning ).  Pada  sistem  ini,  pengkondisian  udara  dilakukan  terpusat  dan kemudian  didistribusikan  ke  seluruh  gedung  melalui ducting [1].  Untuk  menciptakan  udara yang segar di dalam ruangan, maka jalur distribusi udara disalurkan melalui 3 sistem, antara lain;  jalur  suplai  udara  terkondisikan,  jalur  udara  segar  ( fresh  air ),  dan  jalur  pembuangan udara ( exhaust air ). Udara terkondisikan yang didistribusi melalui instalasi ducting masuk ke dalam ruangan melalui Supply Air Grille (SAG). Karena peran penyebaran udara diatur oleh SAG, maka desain SAG sangat berpengaruh terhadap penyebaran udara yang terdistribusi ke dalam ruangan secara baik.
Metode analisis menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) sangat membantu dalam menangkap fenomena fisis aliran di dalam ruangan yang mana fenomena tersebut sulit dideteksi  pada eksperimen  [2]–[4]. Untuk itu analisis pengaruh  geometri SAG dapat  mudah dianalisis  dengan  menggunakan  CFD.  Penelitian  sebelumnya  menyebutkan  bahwa penggunaan  metode  CFD,  fenomena-fenomena  fisis  yang  terjadi  di  sekitar  dan  di  dalam benda uji dapat dengan mudah dianalisis. Fenomena-fenomena tersebut sulit dideteksi dengan metode  eksperimental,  oleh  karenanya  CFD  banyak  digunakan  untuk  analisa  mendetail berkaitan  dengan  fenomena-fenomena  tersebut.  Metode  CFD  juga  mampu  menekan  biaya
dan waktu yang diperlukan dalam menganalisis fenomena-fenomena tersebut karena metode CFD dilakukan secara komputerisasi [5].
SAG  sangat  berperan  penting  dalam  pengaturan  dalam  ruangan,  sehingga  SAG  harus didesain  secara  baik.  Ada  banyak  jenis  SAG  yang  digunakan  di  berbagai  aplikasi  distribusi udara dengan berbagai bentuk seperti ceiling diffuser yang berbentuk persegi, linear diffuser yang berbentuk persegi panjang, round diffuser yang berbentuk bulat, dan lain-lain. Masing- masing dari mereka memiliki fungsi khusus untuk menyediakan kondisi kenyamanan  termal untuk penghuni ruang serta distribusi udara yang baik [6].
Chuhadaroglu  et.  al.  [7]  dalam  penelitiannya  menunjukkan  bahwa  kecepatan  udara yang  merupakan  komponen  penting  untuk  kenyamanan  kondisi  di  dalam  ruangan  yang berventilasi, dapat berubah secara drastis tergantung pada jarak diffuser dari fan outlet . Selain itu, jelas bahwa karena kurangnya kapasitas distribusi udara yang efektif dari diffuser biasa, kondisi kenyamanan yang diperlukan tidak dapat dipertahankan dan juga sensor dalam sistem kontrol  otomatis  akan  mengaktifkan  sistem  dengan  nilai  yang  tidak  tepat.  Untuk  alasan  ini, dengan  menggunakan  sistem  distribusi  yang  lebih  baik  di  dalam  ruangan  berventilasi, pengaplikasian  dilakukan  untuk  memastikan  kondisi  kenyamanan  yang  diperlukan  dan  juga memberikan solusi  yang realistis,  hemat energi,  dan  pengendalian kondisi  udara  yang tepat. Dalam  penelitian  yang  lain,  Al  Tuarihi  [8]  menghasilkan  temuan  bahwa  jenis diffuser yang cocok menurut termal manusia adalah jenis 4-way direction-square . Dari hasil perbandingan nilai-nilai Air  Distribution  Performance  Index (ADPI)  dihitung  untuk  semua  kasus,  nilai maksimum  dihasilkan  pada  tipe grille dengan  area  terluas,  sedangkan  nilai  minimum ditemukan dari tipe dengan area grille yang terkecil.
Simulasi  yang dilakukan secara numerik pada ruang Terminal 2 Bandar Udara Juanda [9]  dilakukan  untuk  mencari  konfigurasi  terbaik  dari  penempatan diffuser agar  penumpang merasakan kenyamanan. Kontur temperatur dianalisis terhadap tinggi inlet diffuser . Dari hasil penelitian tersebut menunjukkan adanya pengaruh posisi diffuser dan variasi kecepatan udara masuk  terhadap  distribusi  temperatur  ruang  terkondisi.  Kesimpulan  yang  serupa  juga ditunjukkan  pada  Referensi  [10].  Pada  penelitian  ini  juga  dianalisis  pengaruh  kemiringan bilah diffuser terhadap distribusi temperatur.
Tabel 1. Bentuk geometri diffuser Tipe diffuser Bentuk geometri Keterangan Referensi 4 -way direction square Berbentuk  persegi  dan  memiliki 4 arah semburan dalam pendistribusian  suhu,  biasanya sering  digunakan  pada  lobi, koridor dan juga dalam ruangan. [1] Linear Berbentuk  persegi  panjang  dan hanya memiliki 1 arah semburan dalam pendistribusian suhu, biasanya  sering  digunakan  pada lobi  koridor  dan  juga  dalam sebuah ruang perkantoran [11]
Kenyamanan  termal  baik  di  dalam  ruang  maupun  di  luar  bangunan  dibutuhkan  untuk menjaga  kondisi  psikologis,  fisiologis,  dan  pola  perilaku  seseorang  dalam  keadaan  baik. Szokolay  [12]  menyebutkan  kenyamanan  sangat  bergantung  pada  variabel  iklim,  seperti radiasi akibat paparan matahari, suhu udara, kelembapan udara, dan juga kecepatan angin di sekitar  bangunan.  Kecenderungan  dari  meningkatnya  suhu  bumi  akibat  pemanasan  global memaksa manusia untuk melakukan rekayasa teknologi  guna mengondisikan udara ruangan yang nyaman. Oleh karena itu, penelitian ini akan terfokus pada analisis pengaruh kecepatan udara  terhadap  distribusi  suhu  dan  pola  aliran  udara  dalam  ruangan.  Selanjutnya,  penelitian akan dikembangkan pada analisis pengaruh geometri SAG terhadap distribusi suhu dan pola aliran udara dalam ruangan sebagaimana yang terlihat pada Tabel 1.

## II. Metode Numerik
Dalam penelitian ini, ukuran ruangan yang digunakan memiliki panjang 4 meter, lebar 6 meter dan tinggi 4 meter. Desain skematis ruangan dapat dilihat pada Gambar 1, sedangkan spesifikasi ruangan dapat dilihat pada Tabel 2.
Gambar 1. Layout ruangan.
Tabel 2. Spesifikasi ruangan
No
Spesifikasi Simbol Satuan Nominal (mm) 1 Panjang ruangan P mm 4000 2 Lebar ruangan L mm 6000 3 Tinggi ruangan t mm 4000 4 Square diffuser - mm 2 (250x250)
Proses analisis geometri SAG pada ruangan ini menggunakan perangkat lunak ANSYS FLUENT 17.0. Proses simulasi dimulai dari tahap geometri, mesh , setup , solution , dan result . Tahapan-tahapan  simulasi  tersebut  harus  dilakukan  secara  berurutan  dan  dilakukan  sesuai dengan  penjelasan.  Pada  tahap  geometri  ini  mengimpor  gambar diffuser dan  ruangan  yang telah  digambar  menggunakan  perangkat  lunak  Autodesk  Inventor  2016  ke  dalam Design Modeler ANSYS  Fluent.  Setelah  semua  gambar  untuk  masing-masing    geometri  diimpor langkah  selanjutnya  melakukan boolean pada  gambar  tersebut  untuk  mendefinisikan  daerah yang  terisi  oleh  fluida  sepenuhnya.  Proses boolean untuk  mengurangi  atau  menghilangkan daerah-daerah  yang  tidak  terisi  oleh  fluida  [5].  Pada  geometri  ruangan  dengan  jenis  SAG linear diffuser , proses boolean yang dilakukan adalah membuat daerah ruang kosong sebagai target body dengan diffuser sebagai Tool  Body ,  seperti  ditampilkan  dalam  Gambar  2  dan Gambar 3.
Pada  tahap mesh ,  dilakukan  pencacahan  objek  menjadi  elemen-elemen  kecil  yang dihubungkan  oleh  titik-titik  ( nodes )  yang  sudah  dibuat  pada  tahap  geometri.  Jumlah nodes dan element di dalam hasil mesh ditampilkan dalam Tabel 3.
Tabel 3. Jumlah nodes dan element dalam mesh Domain Mesh static Linear diffuser Square diffuser Ruangan Nodes 332430 256310 Elements 1828414 1386393
Gambar 2. Meshing dari ruangan dengan linear diffuser
5 Linear diffuser - mm 2 (1000x100) 6 Round diffuser - mm 2 (Ø203) 7 Kecepatan udara masuk V in m/s 1,6, 3,1 dan 4,6. 8 Temperatur udara masuk T in K 292 9 Temperatur ruangan T ambient K 303
Gambar 3. Meshing dari ruangan dengan square diffuser
Boundary condition yang digunakan pada simulasi ini  adalah mass flow rate pada sisi masuk. Nominal mass flow rate pada percobaan pertama sebesar 0,35 kg/s, percobaan kedua 0,68  kg/s  dan  percobaan  ketiga  sebesar  1,01  kg/s  sesuai  dengan  kecepatan  aliran  yang diinginkan.  Tekanan gauge referensi  yang  digunakan  adalah  0  atm,  maka  tekanan  pada  sisi keluar  ( outlet )  yang  terletak  di  pojok  atas  ruangan  sama  dengan  tekanan  atmosfer  yaitu 101325 Pa.

## III. Hasil dan Pembahasan
Gradien  temperatur  dari  posisi  vertikal  yang  terlalu  besar  pada  suatu  ruangan merupakan salah satu masalah utama sesuai dengan apa yang tercantum pada sistem STARD ( Stratified Air Distribution ) [13] dan ASHRAE Standard 55-2004 [14]. Pengaruh dari 2 buah geometri diffuser diteliti  menggunakan  metode  simulasi  numerik  untuk  ruangan  dengan variasi  kecepatan  aliran  inlet  berbeda  (1,6  m/s,  3,1  m/s  dan  4,6  m/s)  untuk  mengetahui pengaruhnya  terhadap  distribusi  temperatur.  Hasil  dari  simulasi  berupa  kontur  temperatur ditampilkan dan dibahas pada bagian berikut ini.
Kontur  temperatur  dari diffuser tipe  linear  dengan  variasi  kecepatan  inlet  yang  di diukur pada bidang X=1, X=0 dan X=-1 meter, dimana bidang referensi X=0 m terletak tepat pada tengah ruangan bertepatan dengan posisi grille terpasang, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4 dan 5. Pada gambar 4 menunjukkan perbandingan distribusi temperatur pada V in = 1,6 dan 3.1 m/s. Dari hasil tersebut terlihat temperatur rata-rata ruangan adalah 300, 299, dan 297  K  untuk  masing-masing  V in =  1,6,  3,1    dan  4,5  m/s  dimana  menurut  referensi kenyamanan  termal  untuk  daerah  tropis  berada  pada  temperatur  293.5  –  297.5  K  [15], sehingga  kenyamanan  termal  yang  diharapkan  tercapai  pada  kecepatan  4,5  m/s.  Namun dengan  kecepatan  aliran  4,5  m/s  menimbulkan  dampak  lain  terhadap  kenyamanan,  dimana kenyamanan termal idealnya kecepatan aliran udara berada pada kisaran 1-2 m/s [16]. Untuk meningkatkan  kinerja pendinginan maka  temperatur aliran inlet  harus diatur pada titik  yang lebih rendah.
Sedangkan  hasil  yang  ditunjukkan  dari  SAG  tipe square memperlihatkan  temperatur rata-rata pada ruangan yaitu 297, 296,5 dan 296 K pada masing-masing V in = 1,6, 3,1  dan 4,5 m/s, sebagaimana  yang  ditunjukkan Gambar 6 dan 7. Hasil  ini  menunjukkan bahwa kinerja pendinginan  dari grille tipe square lebih  baik  dari  tipe  linear.  Hal  ini  dapat  terjadi  karena geometri  dari  SAG  tipe square mempunyai  bilah  dengan  orientasi  4  arah  aliran  berbeda sehingga aliran udara lebih tersebar merata keseluruhan ruangan. Sedangkan grille tipe linear mempunyai bilah yang berorientasi hanya pada satu arah saja sehingga distribusi temperatur tidak  merata.  Namun  demikian,  kenyamanan  termal  baru  dapatkan  pada  kecepatan  aliran mulai  dari  3,1  m/s  sehingga  perlu  peningkatan  suhu  pada  aliran  masuk  agar  kinerja
pendinginan  pada  kecepatan  aliran  di  bawah  2  m/s  dapat  mencapai  temperatur  yang diinginkan.
Gambar 4. Kontur temperatur dari ruangan pada penampang X = 1 , 0 dan -1 meter untuk SAG tipe linear diffuser dengan kecepatan aliran inlet V_in = 1,6 dan 3,1 m/s.
Gambar 5. Kontur temperatur dari ruangan pada penampang X = 1 , 0 dan -1 meter untuk SAG tipe linear diffuser dengan kecepatan aliran inlet V_in = 4,6 m/s.
Gambar 6. Kontur temperatur dari ruangan pada penampang X=1 , 0 dan -1 meter untuk SAG tipe square diffuser dengan kecepatan aliran inlet V_in = 1,6 dan 3,1 m/s.
Gambar 7. Kontur temperatur dari ruangan pada penampang X=1, 2 dan 3 meter untuk SAG tipe square diffuser dengan kecepatan aliran inlet V_in = 4,6 m/s.
Gambar  8  menampilkan  hasil  distribusi  temperatur  secara  vertikal  pada  posisi ketinggian H= 1 meter dan H = 2 meter  yang merupakan jarak dari permukaan lantai untuk kedua  tipe  SAG  pada  kecepatan  aliran  inlet  yang  bervariasi.  Dari  hasil  ini  dapat  diketahui gradien perubahan suhu pada posisi vertikal. Pada SAG tipe linear dapat terlihat peningkatan suhu yang sangat signifikan pada kecepatan inlet 1,6 m/s, sedangkan pada kecepatan lainnya gradien  suhu  tidak  terlalu  signifikan  perubahannya.  Pada  tipe  SAG square ,  gradien peningkatan  temperatur  pada  posisi  vertikal  terjadi  perubahan  yang  tidak  signifikan  pada kecepatan 1,6 dan 3,1 m/s sedangkan pada kecepatan 4,6 m/s cenderung tidak ada perubahan temperatur. Dari perbandingan hasil ini, maka dapat disimpulkan bahwa distribusi temperatur secara vertikal dari SAG tipe square lebih merata dibandingkan dengan tipe linear.
Gambar 8. Perbandingan temperatur rata-rata ruangan pada ketinggian 1 meter dan 2 meter dari permukaan lantai terhadap kecepatan aliran inlet pada tipe diffuser yang berbeda.

## IV. Kesimpulan
Dua  buah  tipe  SAG  dengan  geometri  (tipe  linear  dan square )  yang  berbeda  diteliti secara numerik.  Distribusi  temperatur dianalisis  pada bidang horizontal dan vertikal  dengan variasi  kecepatan inlet  1,6, 3,1 dan 4,6 m/s. Dari  hasil penelitian ini, diketahui  bahwa SAG tipe  square  mampu  mencapai  kenyamanan  termal  lebih  baik  daripada  tipe  linear.  Distribusi temperatur  yang  dihasilkan  oleh  SAG  tipe square juga  menunjukkan  temperatur  yang  lebih merata  di  seluruh  ruangan  dibandingkan  dengan  tipe  linear.  Gradien  temperatur  pada  posisi vertikal  yang menjadi  fokus  dalam hal  kenyamanan termal  yang dihasilkan dari tipe square juga lebih baik dari tipe linear. Namun, kenyamanan termal bisa didapatkan pada temperatur di  atas  2  m/s  sehingga  perlu  dilakukan  penyesuaian  pada  temperatur  di  aliran  inlet  agar kenyamanan termal dapat tercapai pada kecepatan aliran inlet di bawah 2 m/s.

## Daftar Pustaka
[1] R.  H.  Mohammed,  “A  simplified  method  for  modeling  of  round  and  square  ceiling diffusers,” Energy Build. , vol. 64, pp. 473–482, 2013.
[2] A. F. Sudarma and M. H. Morsy, “RANS numerical simulation of lean premixed bluff body stabilized combustor: Comparison of turbulence models,” J. Therm. Eng. , vol. 3, no. 6, pp. 1561–1573, Nov. 2017, doi: 10.18186/journal-of-thermal- engineering.353668.
[3] M. H. Morsy and A. F. Sudarma, “RANS numerical simulation of lean premixed bluff body  stabilized  combustor:  Parametric  study,”  in International  Conference  on Advances in Automotive Technologies 2016 (AAT2016) , 2016, pp. 210–217.
[4] A. F. Sudarma and M. H. Morsy, “Numerical study of non-premixed air-methane swirl combustor flows using RANS method,” in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering , 2018, vol. 453, no. 1, doi: 10.1088/1757-899X/453/1/012058.
[5] A. A. Luthfie and others, “Analisis Pengaruh Perubahan Sudut Pipa Siphon Terhadap Performasi  Turbin  Hydrocoil  Dengan  Menggunakan  Metode  Computational  Fluid Dynamic (CFD),” J. Tek. Mesin Mercu Buana , vol. 6, no. 1, pp. 41–47, 2017.
[6] A. Awwad, M. H. Mohamed, and M. Fatouh, “Study the Effect of Ceiling Air Diffuser
Blade and Lip Angles Using CFD,” Athens J. Technol. Eng. , pp. 1–50, 2017.
[7] A.  V.  Vakkasoglu,  M.  S.  Kamer,  and  A.  Kaya,  “The  effect  of  different  diffusers designed for empty cells in central air handling units on flow and pressure drop,” Sci. Technol. Built Environ. , no. just-accepted, pp. 1–15, 2020.
[8] M.  H.  Al  Tuarihi,  “Experimental  and  Numerical  Investigation  on  Air  Flow  and Temperature  Distribution  under  different  Geometries  of  Displacement  Ventilation Devices in an Office Room,” Int. J. Comput. Appl. , vol. 975, p. 8887.
[9] F.  A.  Wijaya  and  N.  Ikhwan,  “Simulasi  Numerik  Distribusi  Temperatur  Dan Kecepatan Udara Ruang Consession 1 Pada Lantai 2 Terminal 2 Bandar Udara Juanda, Sidoarjo,” J. Tek. ITS , vol. 4, no. 1, pp. B41--B46, 2015.
[10]  J.  Sarsetiyanto  and  D.  M.  E.  Soedjono,  “Pengaruh  Posisi  Difuser  dan  Variasi Kecepatan  Udara  Masuk  terhadap  Distribusi  Temperatur  Ruang  Terkondisi  Sebuah Studi Numerik,” J. Tek. Mesin , vol. 8, no. 1, pp. 1–7, 2006.
[11]  W.  K.  Chow  and  L.  T.  Wong,  “Experimental  studies  on  air  diffusion  of  a  linear diffuser  and  associated  thermal  comfort  indices  in  an  air-conditioned  space,” Build. Environ. , vol. 29, no. 4, pp. 523–530, 1994.
[12]  O.  H.  Koenigsberger,  T.  G.  Ingersol,  A.  Mayhew,  and  S.  V  Szokolay,  “(1980)., Manual  of  Tropical  Housing  and  Building.  Part  1.  Climatic  design.  Longman, London.”
[13]  S. Cho, P. Im, and J. S. Haberl, “Literature review of displacement ventilation,” 2005.
[14]  B. W. Olesen and G. S. Brager, “A better way to predict comfort: The new ASHRAE standard 55-2004,” 2004.
[15]  R.  M.  B.  S.  KP,  “Kajian  Kenyamanan  Thermal  Pada  Bangunan  Rumah  Tinggal Arsitektur Kolonial Modern (Studi Kasus: Rumah Tinggal Karya Arsitek Liem Bwan Tjie Jl. Dr. Wahidin No. 38 Semarang),” J. Tek. Sipil Dan Perenc. , vol. 13, no. 1, pp. 9–20, 2011.
[16]  P.  Roghanchi,  K.  C.  Kocsis,  and  M.  Sunkpal,  “Sensitivity  analysis  of  the  effect  of airflow velocity on the thermal comfort in underground mines,” J. Sustain. Min. , vol. 15, no. 4, pp. 175–180, 2016.