## PERBANDINGAN STACK EFFECT PADA RUMAH SECARA KONVEKSI PAKSA DAN KONVEKSI ALAMI KETIKA KONDISI HUJAN
Eflita Yohana, Bayu Novariawan Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Diponegoro Email: efnan2003@yahoo.com

## Abstract
A  room  or  a  house  is  modified  by  setting  a  stack  (chimney)  to  take  the  advantage  of  the phenomenon  of  stack  effect.  This  stack  is  useful  for  air  circulation  so  that  the  room  become comfortable.  The  difference  of  colour  on  the  outside  wall  of  the  house  will  also  affect  the  room temperature because the stored thermal energy in the house will be different . The darker house wall will  keep  more  thermal  energy  than  the  brighter.  Meanwhile,  the  house  that  uses  exhaust  fan  will keep less thermal energy than a house that did not use any exhaust fan.
The high of required stack effect phenomenon can be calculated based on the stored thermal energy of the room. In the miniature house using exhaust fans, the chimneys or towers should be put at the 0.55-meter-high roof to a house without a paint, 0.35 meter for the white-painted house, 0.55 meter  for  the  gray  painted  house,  and  0.36  meter  for  the  yellow-painted  house.  While  for  house miniature without exhaust fan (naturally), chimney should be placed to the 0.86-meter-high roof for the  house  without  paint,  0.74  meter  for  the  white-painted  house,  0.85  meter  for  the  gray  painted house, and 0.75 meter for the yellow-painted house.
Keywords: Stack effect, the height of the stack.

## Abstrak
Sebuah  ruangan  atau  rumah  dimodifikasi  dengan  menambah  sebuah stack (cerobong) untuk memanfaatkan fenomena stack effect . Stack ini berguna untuk mengalirkan udara dari dalam ruangan  ke  luar,  sehingga  panas  yang  di  dalam  ruangan  dapat  keluar  dan  ruangan  dapat  menjadi nyaman. Perbedaan warna pada dinding luar rumah juga dapat mempengaruhi temperatur di dalam ruangan karena energi panas yang tersimpan di dalam rumah akan berbeda. Rumah dengan dinding lebih  gelap  akan  memliki  energi  panas  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  rumah  yang  menggunakan dinding  lebih  cerah.  Sedangkan  rumah  yang  menggunakan exhaust  fan akan  menyimpan  energi panas yang lebih kecil dibandingkan rumah yang tidak menggunakan exhaust fan . Tinggi fenomena stack effect yang dibutuhkan dapat diperoleh dari hasil perhitungan energi panas  yang  tersimpan  dalam  ruangan.  Pada  miniatur  rumah  menggunakan exhaust  fan ,  sebaiknya ditambah cerobong atau menara pada bagian atap setinggi 0,55 meter untuk rumah yang tanpa cat, 0,35 meter untuk rumah yang dicat warna putih, 0,55 meter untuk rumah yang dicat warna abu-abu, dan  0,36  meter  untuk  rumah  yang  dicat  warna  kuning.  Sedangkan  pada  miniatur  rumah  tidak menggunakan exhaust  fan (secara  alami),  sebaiknya  ditambah  cerobong  atau  menara  pada  bagian atap  setinggi  0,86  meter  untuk  rumah  yang  tanpa  cat,  0,74  meter  untuk  rumah  yang  dicat  warna putih, 0,85  meter untuk rumah  yang dicat  warna abu-abu,  dan 0,75  meter  untuk rumah  yang dicat warna kuning.
Kata kunci : Stack effect, tinggi Stack.

## 1. PENDAHULUAN
Penelitian-penelitian  tentang  pengaruh warna  terhadap  perpindahan  panas  telah
banyak dilakukan sebelumnya. (Uemoto, 2010) mengatakan  bahwa  perubahan  warna  (polos, putih,  kuning  dan  coklat)  mempengaruhi perpindahan panas pada atap, dan warna coklat
memiliki temperatur luar paling tinggi diantara warna-warna  tersebut  [2].  Pada  eksperimen yang  telah  dilakukan  dia  menggunakan  lampu sebagai  sumber  panas.  Dan  dari  hasil eksperimen  diketahui  bahwa  warna  coklat memiliki  temperatur  permukaan  tertinggi sebesar  81,7 0 C  dibandingkan  warna  kuning sebesar 69,8 0 C dan warna putih sebesar 57 0 C. Peneliti  lain  yang  juga  mendukung pernyataan  diatas  mengenai  pengaruh  radiasi terhadap  warna  adalah  (Cahyo,  2004)  dengan judul  pengujian  pengaruh  warna  atap  (asbes) terhadap  panas  radiasi  ruangan    menggunakan kotak  terbuat  triplek  ukuran  1,2  x  1,2  x  1,2  m dengan  warna  polos,  putih  dan  atap  diganti menggunakan  genteng  [4].  Hasil  penelitian  ini menyebutkan  bahwa  dengan  dicat  warna  putih menyebabkan  penurunan  temperatur  berkisar antara 1 0 C sampai 2,5 0 C. Dari penelitian-penelitian
yang disebutkan  diatas,  penulis  tertarik  untuk mengembangkan eksperimen tentang pengaruh perubahan  warna  terhadap  perpindahan  panas pada  dinding  sebuah  rumah  dengan  model menggunakan  bata  plester  sistem knockdown dengan variasi warna polos, putih, abu-abu dan kuning.  Warna  yang  dipilih  merupakan  warna mayoritas dan tren yang dipakai pada rumah di Indonesia belakangan  ini. Seperti  yang dikutip dari  majalah Housing  estate tren  property  [8]. Dalam  prosesnya  sinar  matahari  menyinari miniatur  rumah,  sehingga  terjadi  proses perpindahan  panas  secara  radiasi  terhadap permukaan  dinding  luar  terlebih  dahulu, kemudian  terjadi  perpindahan  panas  secara konduksi  dari  permukaan  dinding  dalam  dan rumah  dan  terjadi  proses  konveksi  paksa dengan  adanya exhaust  fan yang  dipasang jendela.

## 2. MODEL MINIATUR RUMAH
Model  bangunan  model  rumah  yang diteliti  berukuran  1  X  1  X  1,2  m.  Dinding rumah terbuat dari batu bata yang diplester dan atapnya  menggunakan  sistem  onduline,  serta lantai menggunakan keramik. Untuk membantu  pendinginan  ruangan  dalam  rumah menggunakan alat exhaust fan yang diletakkan pada  ventilasi  berukuran  20  X  15  cm. Pengecatan rumah dilakukan pada dinding luar rumah  saja  dan  dilakukan  secara  bertahap
setelah  pengujian  satu  warna  selesai  dan dilanjutkan  warna cat lainnya secara berurutan mulai  dari  polos  tanpa  warna,  warna  putih, warna  abu-abu  dan  warna  kuning.  Diharapkan pengujian  ini  dapat  menjadi  referensi  atau acuan  dalam  memberikan  gambaran  mengenai perpindahan  panas  pada  rumah  dalam  ukuran sebenarnya.

## Gambar 1 Model Miniatur Rumah

## 3. PERPINDAHAN PANAS SECARA KONVEKSI
Perpindahan  kalor  secara  aliran  atau konveksi  adalah  perpindahan  kalor  yang dilakukan  oleh  molekul-molekul  suatu  fluida (cair  atau  gas).  Molekul-molekul  fluida tersebut  dalam  gerakannya  melayang  kesana- kemari  membawa  sejumlah  kalor.  Konveksi adalah  perpindahan  panas  melalui  media  gas atau  cairan  seperti  udara  di  dalam  es  dan  air yang dipanaskan di dalam ceret.
Perpindahan  panas  secara  konveksi dapat  dibagi  menjadi  dua  bagian,  yaitu: konveksi bebas ( free convection ) dan konveksi paksa  ( forced  convection ).  laju  perpindahan panas secara konveksi antara suatu fluida dapat dinyatakan dalam hubungan [7]:
dimana: q c =  Laju  perpindahan  kalor  konveksi
(watt)
A    = Luas permukaan (m 2 ) h c =  koefisien  perpindahan  panas  secara konveksi (W/m 2 0 C)
Tw  = Temperatur dinding  ( 0 C) T∞ = Temperatur lingkungan/ruangan ( o C)
Untuk  nilai  h c sangat  bergantung  pada geometri  permukaan  dan  kecepatan  maupun sifat  fisik  fluidanya  dan  juga  pada  beda temperatur.

## 3.1. Konveksi Alami
Persamaan yang digunakan untuk mencari  koefisien perpindahan panas konveksi secara alami menggunkan persamaan berikut:
Nusselt Number [7]
dimana: Nu x = Nusselt Number
L     = Panjang permukaan (m) k     = konduktivitas termal (Watt/m 0 C) h c = Perpindahan Kalor Konveksi
(watt/ 0 C)

## 3.2. Konveksi Paksa
Persamaan yang digunakan untuk mencari  koefisien  perpindahan  kalor  konveksi secara  paksa  menggunkan  persamaan  berikut [9]:

## Reynold Number
dimana: Re    = Reynold Number ρ      = Massa jenis fluida (Kg/m3) U 0 = Kecepatan aliran (m/s) L      = Panjang Permukaan (m)
μ      = Viskositas absolute fluida (Kg/m.s)
Prandtl Number
dimana:
K  = Kondutivitas termal C  = Panas spesifik udara
Nusselt number
dimana: Re   = Reynold number Pr   = Prandtl number
4. PANAS YANG TERSIMPAN DI DALAM RUANGAN Dalam beberapa aplikasi tentang keseimbangan  energi  pertama-tama  kita  butuh mengidentifikasi tentang kontrol volume. Yang mana  energi  yang  masuk  dikurangi  dengan energi  yang  keluar  akan  sama  dengan  energi yang tersimpan dalam kontrol volume.
E in + E g – E out = E st
dimana:
E in = Energi yang masuk sistem (watt) E g = Energi yang dibangkitkan dalam
sistem (watt) E out = Energi yang keluar sistem (watt) E st = Energi yang tersimpan (watt)
Karena  Eg  diasumsikan  diabaikan  dan terjadi  kenaikan  temperatur  tiap jamnya,  maka dari persamaan diatas didapatkan :
E in + E g – E out = E st E in – E out = E st q in – q out = ΔE s dimana:
q in
= panas yang masuk (watt) q out = panas yang keluar (watt)
Setelah  dihitung  menggunakan  ms. Exel,  akan  di  dapatkan  besarnya  energi  panas yang tersimpan di dalam ruangan.
Berdasarkan  hasil  perhitungan  (lihat gambar 2 dan gambar 3), besarnya panas yang tersimpan  di  dalam  rumah  setiap  kondisi berbeda-beda.
Rumah
yang tidak menggunakan exhaust  fan mempunyai  panas yang  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  rumah
yang menggunakan exhaust fan .
Gambar  2 Grafik  Hasil  perhitungan  panas tersimpan terhadap waktu menggunakan exhaust fan.
Gambar  3 Grafik  Hasil  perhitungan  panas tersimpan  terhadap  waktu  tanpa menggunakan exhaust fan.
Dari  gambar  diatas,  rumah  yang  tanpa cat  (tanpa  warna)  mempunyai  panas  yang tersimpan  di  dalam  ruangan  paling  tinggi dibandingkan  dengan  yang  lainnya  dengan trendline  R 2 =  0,9231  untuk  menggunakan exhaust  fan dan  R 2 =  0,9704  untuk  tanpa exhaust  fan .  Pada  grafik  tanpa  warna mengalami naik  turun  dari  trend  line
seharusnya  dikarenakan  faktor    dari  alam seperti  adanya  angin  yang  melintas  dengan kecepatan  berbeda  atau  banyaknya  air  hujan (debit air) yang berbeda sehingga menyebabkan data seharusnya bisa turun tetapi kenyataannya naik.

## 5. STACK EFFECT
Ada perbedaan tekanan antara udara luar dan  udara  di  dalam  gedung  yang  disebabkan oleh  perbedaan  suhu  antara  udara  luar  dan udara di dalam. Perbedaan tekanan (ΔP) adalah kekuatan pendorong untuk efek stack dan dapat dihitung dengan persamaan disajikan di bawah ini [20] :
Dimana : ΔP   = available pressure difference , in Pa
C = 0.0342 a = atmospheric pressure , in Pa h = height or distance , in m To   = absolute outside temperature , in K Ti   = absolute inside temperature , in K
Perbedaan  tekanan  dapat  menyebabkan aliran  udara  dari  dalam  ruangan  keluar ruangan.  Besarnya  debit  yang  disebabkan  oleh stack effect dapat
dihitung dengan menggunakan  persamaan  seperti  dibawah  ini [20] :
Dimana:
Q = stack effect draft /debit aliran udara, m³/s A = Luas area Stack , m²
C = discharge coefficient (usually taken to be from 0.65 to 0.70)
g = percepatan grafitasi, 9.81 m/s²
h = tinggi stack effect , m Ti   = Temperarur di dalam, K To   = Temperatur keluar, K
Dari persamaan diatas tinggi stack dapat dicari dan sehingga didapatkan :
Tabel 1 Tinggi Stack pada rumah menggunakan exhaust fan
Tabel  2 Tinggi  Stack  pada  rumah  tanpa menggunakan exhaust fan
Dari  tabel  diatas,  dapat  dilihat  bahwa kebutuhan  tinggi  stack  setiap  waktu  berbeda karena  dipengaruhi  oleh  temperatur  di  luar lingkungan.  Maka  untuk  mendapakan  tinggi stack  yang  baik,  kita  ambil  tinggi  maksimal yang dibutuhkan.
Pada  ketinggian  stack  yang  sama, besarnya  beda  tekanan  dipengaruhi  oleh  beda temperatur antara dalam rumah dan lingkungan luar  rumah.  Semakin  besar  beda  temperatur, maka beda tekanan yang dihasilkan stack effect pun semakin besar.
Gambar  4 Grafik  Perbedaan  tekanan  yang
disebabkan effect  Stack terhadap waktu menggunakan exhaust fan
Gambar  5 Grafik  Perbedaan  tekanan  yang disebabkan effect  Stack terhadap waktu    tanpa  menggunakan  exhaust fan

## 6. PEMBAHASAN
Dari  hasil  penelitian  diatas,  panas  yang tersimpan  di  dalam  ruangan  akan  lebih  besar dengan  dinding  bagian  luar  menggunakan  cat warna gelap dibandingkan dengan rumah yang dinding  bagian  luarnya  menggunakan  cat warna  terang.  Dari  (ref.  Hal  29  tabel  1.6 Absorbsi  radiasi  matahari  permukaan  dinding, Prasasto Satwiko) nilai emisivias atau absorbsi panas  warna  gelap  lebih  besar  dibandingkan dengan  warna  terang  sehingga  warna  gelap cenderung  menangkap  atau  menyimpan  panas sedangkan  warna  terang  cenderung  memiliki sifat memantulkan panas.
Dengan  warna  yang  sama,  tanpa menggunakan  fan  membutuhkan stack yang lebih  tinggi  karena  perpindahan  udara  dari dalam  ruangan  keluar  secara  alami  dan  hanya mengandalkan beda temperatur antara di dalam rumah  dan  di  luar  rumah.  Sedangkan  rumah yang menggunakan exhaust fan , membutuhkan stack yang lebih rendah karena di perpindahan udara dalam rumah ke lingkungan luar dibantu oleh exhaust fan . Selain itu, rumah yang di cat berwarna gelap membutuhkan stack yang lebih tinggi  dibandingkan  dengan  rumah  yang  dicat dengan  warna  terang  (putih  dan  kuning).  Hal ini  dikarenakan  energi  panas  yang  ada  pada dalam  rumah  yang  berdinding  gelap  (abu-abu dan  tanpa  cat)  lebih  besar  dari  pada  rumah yang berdinding terang (putih dan kuning).
Dari  hasil  penelitian  diatas,  beda tekanan  maksimal  dan  beda  tekanan  rata-rata antara  rumah  yang  menggunakan exhaust  fan
dan  rumah  secara  alami  setiap  warna  berbeda. Rumah  secara  alami  mempunyai  beda  tekanan yang  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  rumah yang  menggunakan exhaust  fan ,  hal  ini  terjadi karena  tekanan  rumah  yang  menggunakan exhaust fan lebih rendah dibandingkan dengan rumah  secara  alami.  Fan  mempengaruhi tekanan  di  dalam  rumah  karena  rumah  ini hanya  mempunyai  satu  bukaan  untuk exhaust fan ,  bukaan  ini  berfungsi  untuk  mengeluarkan udara  yang  ada  didalam  ruangan  sehingga tekanan rumah yang menggunakan exhaust fan lebih rendah dari pada rumah secara alami.

## 7. KESIMPULAN
Panas  yang tersimpan di dalam  ruangan akan  lebih  besar  dengan  dinding  bagian  luar menggunakan  cat  warna  gelap  dibandingkan dengan  rumah  yang  dinding  bagian  luarnya menggunakan  cat  warna  terang.  Nilai  rata-rata panas yang tersimpan pada rumah menggunakan  exhaust  fan  dengan  tanpa  cat 10,34 Watt,    warna  cat  putih  6,93  watt,  warna cat  abu-abu  9,56  watt  dan  warna  cat  kuning 7,63  watt.  Sedangkan  panas  yang  tersimpan pada  rumah  tanpa  menggunakan  exhaust  fan (secara  alami)  dengan  tanpa  cat  sebesar  11,79 watt,  cat  putih  7,00  watt,  cat  abu-abu  10,83 watt dan warna cat kuning 8,46 watt.
Rumah yang tidak menggunakan exhaust  fan (secara  alami)  membutuhkan cerobong stack lebih tinggi dibandingkan yang menggunakan exhaust  fan .  Pada  miniatur rumah  menggunakan exhaust  fan ,  sebaiknya ditambah  cerobong  atau  menara  pada  bagian atap  setinggi  0,55  meter  untuk  rumah  yang tidak  di  cat  (tanpa  warna),  0,35  meter  untuk rumah  yang  dicat  warna  putih,  0,55  meter untuk  rumah  yang  dicat  warna  abu-abu,  dan 0,36  meter  untuk  rumah  yang  dicat  warna kuning.  Sedangkan  pada  miniatur  rumah  tidak menggunakan exhaust  fan (secara  alami), sebaiknya  ditambah  cerobong  atau  menara pada  bagian  atap  setinggi  0,86  meter  untuk rumah  yang  tidak  di  cat  (tanpa  warna),  0,74 meter  untuk  rumah  yang  dicat  warna  putih, 0,85 meter untuk rumah yang dicat warna abu- abu,  dan  0,75  meter  untuk  rumah  yang  dicat warna kuning.
Rumah  yang  menggunakan exhaust  fan akan  mempunyai  panas  yang  tersimpan  di
dalam  ruangan  lebih  rendah  dibandingkan dengan  yang  tanpa  exhaust  fan  (secara  alami), sehingga  rumah  yang  menggunakan exhaust fan akan  membutuhkan  cerobong  (stack)  lebih rendah  dibandingkan  dengan  rumah  yang secara alami.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Tri Endangsih. (2007). “ Penerapan Hemat Energi  Pada  Bangunan .  Universitas  Budi Luhur”.
[2] Kai  L.  Uemoto,  Neide  M.N.  Sato, Vanderley  M.  John.  (2010).  “ Estimating Thermal  Performance  of  Cool  Colored Paints”. http://www.elsevier.com/locate/enbuild
[3] Synnefa  Afroditi  (2010),  Karlessi  Theoni, Gaitani  Niki  ,  Santamouris  Mat.  (2010).
Measurement  of  Optical  Properties  and Thermal  Performance  of  Coloured  Thin Layer  Asphalt  Samples  and  Evaluation  of Their Impact on The Urban Environment .
[4] Cahyo Arif Purwaning. (2010). “ Pengujian Pengaruh Warna Atap (Asbes) Terhadap Panas Radiasi Ruangan . Universitas Diponegoro.
[5] Yani  A,  Suhardiyanto  H,  Hasbullah  R, Purwanto  B.P.  (2007). Analisis  dan Simulasi  Distribusi  Suhu  Udara  pada Kandang Sapi Perah Menggunakan
Computational Fluid Dynamics (CFD)” . [6] Incropera, FP
and Witt, P.
(1981). Fundamental  of  Heat  Transfer , John Wiley and Sons, New York,.
[7] Holman,  J.P.,  (1963). Heat  Transfer , McGraw-Hill  Books  Company,  New York.
[8] http://www.housing-estate.com
[9] Arang  Vikas  Padang,  “ Heat  transfer Analysis  In  Steel  Structures ”,  Worcester
Polytechnic Institute.
[10] Kreith,  Frank,    (1991). “Prinsip-Prinsip Perindahan  Panas”, Edisi  ketiga,  PT. Erlangga, Jakarta.
[11] Prasasto Satwiko. (2004). “ Fisika
Bangunan  1 ”,  Edisi  1.  Penerbit  Andi, Yogyakarta. [12] Prasasto Satwiko. (2004). “ Fisika
Bangunan  2 ”,  Edisi  1.  Penerbit  Andi, Yogyakarta.
[13] Arismunandar  Wiranto  dan  Saito  Heizo,
(2002), “Penyegaran  Udara” , Edisi keenam, PT. Pradnya Paramita, Jakarta. [14] http://bintangutamapersada.blogspot.com , “Onduline-Atap  Ringan  Rumah    yang Dibentuk”.
[15] Koestoer,
Radi
Artono. (2004). “Pengukuran Teknik”. Departemen Teknik
Mesin  Fakultas  Teknik  Univ.  Indonesia. Jakarta.
[16] Manual Krisbow [17] Table Emmisivity
[18] Cengel,  2003.  “ Heat  Transfer” .  1st edition.
[19] www.wbdg.org/designnaturalventilation.p hp [20] www.wikipedia.org/Stack Effect