Pola aliran udara dan distribusi temperature diinduksi oleh system air conditioning
Jouvan Chandra Pratama Putra 1 , Ade Firdianto 2 , Nanang 3
1 Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Bakrie
E-mail: jouvan.chandra@bakrie.ac.id
Abstrak — Perancangan  aliran  udara  di  dalam  sebuah  ruangan  tertutup  dibutuhkan  untuk  memasok kebutuhan  udara  segar  yang  diperuntukan  bagi  penghuni  ruangan  tersebut.  Selain  itu,  pola  aliran udara merupakan media pembawa partikel atau pembawa panas yang dapat mendistribusikan kedua aspek  tersebut  di  dalam  ruangan.  Maka  aliran  udara  menjadi  suatu  isu  kritikal  yang  dapat mempengaruhi kenyamanan para penghuni ruangan bahkan gedung. Studi ini menyajikan pemodelan dan  simulasi  aliran  udara  dan  efeknya  terhadap  distribusi  temperatur  di  dalam  ruangan  kantor.  Hal tersebut  dapat  dicapai  dengan  melakukan  studi  parametrik  dimana  dalam  studi  ini  dilakukan modifikasi  letak  pasokan  udara  dan  nilai  kecepatan  udara  dengan  mengacu  pada  model  yang  telah divalidasi.  Pendekatan  simulasi  numerik  untuk  memecahkan  model  laminar  flow  dan  heat  transfer dalam  penelitian  ini  dilakukan  secara  bertahap,  dimana  pada  tahap  pertama  model  laminar  flow dipecahkan dengan tujuan untuk mendapatkan informasi mengenai distribusi aliran udara. Setelah itu, pemecahan  terhadap  pemodelan  heat  transfer  dilakukan  untuk  mendapatkan  perilaku  distribusi temperatur  di  dalam  ruangan.  Hasil  simulasi  mengindikasikan  bahwa  posisi  outlet  di  dalam  ruangan sangat penting untuk membantu distribusi udara agar tercapai pasokan udara yang merata. Selain itu, kecepatan  udara  dengan  nilai  yang  berbeda  mempunyai  pola  distribusi  yang  sama  baik  pada  udara maupun  temperatur  di  dalam  ruangan.  Karakteristik  tersebut  menunjukan  bahwa  nilai  kecepatan udara  di  dalam  ruangan  berpengaruh  terhadap  waktu  penyebaran  temperature  di  dalam  ruangan tertutup.  Akhirnya,  penelitian  ini  menunjukkan  bahwa  strategi  dalam  menambah  kecepatan  udara dalam  mendistribusikan  temperatur  untuk  menciptakan  kenyamanan  kerja  adalah  bukan  faktor signifkan  yang  bersifat  tunggal.  Tetapi,ada  parameter  lain  yang  cukup  berpengaruh  seperti  posisi outlet yang merupakan jalur distribusi udara yang juga merupakan jalur distribusi temperatur.
Kata kunci: Aliran Udara, Distribusi Temperatur, Simulasi Numerik, Laminar Flow, Heat Transfer.
Abstract — The design of air flow in a closed room is needed in order to supply the needs of fresh air that  intended  for  the  occupants  of  the  room.  In  addition,  the  air  flow  pattern  is  a  media  carrier  of particles or heat carriers that can distribute both aspects in the room. Subsequently, air flow becomes a  critical  issue  that  can  affect  the  comfort  of  the  occupants  of  the  room  and  even  the  building.  This study presents modeling and simulation of air flow and its effect on the temperature distribution in an office  room. This  can  be  achieved  by  conducting  a  parametric  study  in  which  this  study  modifies  the location  of  the  air  supply  and  air  velocity  values  by  referring  to  the  validated  model.  The  numerical simulation approach to solving the laminar flow model and heat transfer in this study was carried out in several  stages,  where  in  the  first  stage  the  laminar  flow  model  was  solved  with  the  aim  of  obtaining information about the distribution of air flow. Once it done, the solution to the heat transfer modeling is carried out to get the temperature distribution behavior in the room. The simulation results indicate that the position of the outlet in the room is very important to help air to distribute uniformly. In addition, air velocity  with  different  values  has  the  same  distribution  pattern  both  in  terms  of  air  distribution  and temperature distribution in the room. These characteristics indicate that the value of air velocity in the room affects the temperature spread time in a closed room. Finally, this study shows that the strategy of  increasing  air  velocity  in  distributing  temperature  to  create  work  comfort  is  not  a  single  significant factor. However, there is another parameter which is quite influential, such as the position of the outlet which is a distribution path both air and temperature.
Keywords: Air Flow, Temperature Distribution, Numerical Simulation, Laminar Flow, Heat Transfer

## 1. PENDAHULUAN
Salah  satu  konsumsi  energi  listrik  terbesar dihasilkan  dari  pemakaian air  conditioning yang  berada  di  perumahan  atau  di  gedung-
gedung  perkantoran.  Tingginya  tingkat  konsumsi energi
listrik tersebut adalah sebagai konsekuensi  dalam  menciptakan  kenyamanan termal  bagi  para  penghuni  di  dalam  gedung perkantoran (1). Selanjutnya, strategi yang
dapat  dilakukan  untuk  melakukan  efisiensi energi adalah dengan cara mengurangi jumlah energi  yang  dibutuhkan.  Hal  ini  bukan  berarti mengurangi utilitas bangunan sehingga kebutuhan  energi  berkurang,  tetapi  dengan cara  kontrol  lokal  dari  beban  panas  dalam ruangan,  untuk  memenuhi  preferensi  termal oleh individu (2). Berdasarkan ASHRAE 55, “Thermal Environmental Conditions for Human
Occupancy” (3),  sebagian  besar  orang  akan merasakan  nyaman  ketika  suhu  berada  pada kisaran  70°F  s/d  79°F  (  21°C  s/d  26°C  ). Namun, berdasarkan studi yang dilakukan oleh Cena  dan  Dear  (4),  kenyamanan  termal adalah  hasil  sinergitas  antara  beberapa  aspek seperti usia, jenis
kelamin, tingkat metabolisme, dan waktu dalam setahun. Fang (5), melakukan studi eksperimen dengan tujuan  untuk  memprediksi  kenyamanan  termal berdasarkan  4  parameter  fisik  yaitu  suhu udara, mean  radiant  temperature ,  kecepatan udara, dan kelembaban relatif. Selain itu, pendekatan pemodelan dan simulasi merupakan alternatif untuk melakukan kajian  mengenai  fenomena  dalam  hal  ini adalah  perilaku  panas  dalam  ruang  tertutup yang  diinduksi  oleh  aliran  udara.  Berdasarkan Robertson  (6)  pemodelan  adalah  sebuah proses untuk menirukan sistem nyata, sedangkan  simulasi  adalah  proses  dalam melakukan  manipulasi  model  yang  bertujuan untuk  memahami  perilaku  dari  sistem  nyata sehingga dapat mengevaluasi berbagai strategi untuk mendapatkan hasil yang optimal (7).
Lin dkk (8), menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD)  untuk  melakukan  kajian mengenai Effect of The Air Supply Location on The Performance of The Displacement Ventilation  System .  Hasil  kajian  mereka mengindikasikan  bahwa  lokasi  pasokan  udara seharusnya diletakan di tengah ruangan untuk dapat memasok kondisi termal yang lebih baik. Kemudian,  Zhao  dan  Wu  (9)  melakukan  studi dengan  mengombinasikan  eksperimental  dan simulasi  untuk  mengkaji  efek  distribusi  spasial partikel  pada  pengendapan  partikel  (0.5  µm hingga  1  µm)  di  lokasi  ventilasi.  Selanjutnya, hasil dari studi Zhao dan Wu (9) mengindikasikan  bahwa  pengendapan  partikel sangat  dipengaruhi  oleh  lokasi  pasokan  udara baik  masuk  maupun  keluar  dan  sumber partikel.
Penelitian  ini  akan  mempunyai  fokus  pada lokasi  pasokan  udara  terhadap  pengaruh  laju
udara  dan  distribusi  temperatur  di  dalam  ruang kantor.

## 2. MODEL PENELITIAN
Pemodelan  meliputi  beberapa  tahap  seperti memilih  modul  aplikasi,  pemilihan  konstanta parameter, membuat geometri, meshing,
pemilihan  parameter solver ,  dan  menjalankan simulasi.
Pendekatan matematis dalam memodelkan  dan  mensimulasikan  fenomena aliran  udara  dan  distribusi  temperatur  pada  studi ini  adalah  persamaan  Navier-Stokes  yang menggambarkan  kerapatan  udara,  viskositas dinamis, kecepatan udara, tekanan, dan gravitasi seperti yang dituliskan pada persamaan 1.
(1)
Dimana:
 Ƞ adalah viskositas dinamis (kg/m.s)
 µ adalah kecepatan (m/s)
 ρ adalah massa jenis (kg/m 3 )
 p adalah tekanan (Pa)
 F  adalah  kekuatan  volume  seperti  gravitasi (m/s 2 )
Selanjutnya,  untuk  persamaan heat  transfer dengan  menggunakan  persamaan  2  sebagai berikut:
(2) Dimana:  Ρ adalah massa jenis (kg/m 3 )
 C p adalah kapasitas panas (J/kg.K)
 µ adalah kecepatan (m/s)

## 2.1. Model Geometri
Model geometri yang digunakan dalam studi pola aliran udara dan distribusi temperatur ini mengacu pada studi yang dilakukan oleh Putra (1) seperti yang disajikan pada Gambar 1
Gambar 1. Model geometri yang sudah divalidasi (1)
Selanjutnya,  untuk  mengidentifikasi  pengaruh letak  dari  pasokan  udara  terhadap  distribusi temperatur  di  dalam  ruang  maka  dilakukan studi  parametrik  seperti  yang  disajikan  pada Gambar 2.

## Gambar 2. Studi parametrik
Model geometri yang disajikan pada Gambar 2 mempunyai dimensi arah x = 15 ft,  y = 10 ft, z = 8 ft. Selain itu, lorong yang dimodelkan terdiri atas  2  lorong  dimana  lorong  1  mempunyai dimensi  arah  x  =  20  ft,  y  =  4  ft,  dan  z  =  8  ft. Selanjutnya,  lorong  2  mempunyai  dimensi  x  = 3  ft,  y  =  10  ft,  dan  z  =  8  ft.  Disamping  itu, model inlet mempunyai dimensi x = 2.5 ft dan z = 6.5 ft.

## 3. Metodologi 3.1.   Proses Meshing
Untuk  mendapatkan  hasil  simulasi  terhadap distribusi  temperatur  tahapan  yang  dilakukan adalah dengan memecahkan pemodelan distribusi  udara  terlebih  dahulu.  Selanjutnya, untuk  memecahkan  model  distribusi  udara  perlu dilakukan  meshing  seperti  yang  disajikan  pada Gambar 3.
Gambar 3. Geometri yang mengalami meshing
Mesh  adalah  partisi  dari  model  geometri  ruang menjadi  bentuk  atau  area  yang  lebih  kecil.  Jika mesh  terlalu  kasar,  kemungkinan  solusinya  tidak konvergen atau kesalahan mungkin terlalu besar. Sebaliknya,  jika  mesh  terlalu  halus,  maka  waktu yang  diperlukan  untuk  mendapat  solusi  terhadap sistem persamaan nonlinier mungkin terlalu lama. Dengan  demikian,  sangat  dianjurkan  untuk menggunakan  jenis  model  mesh  yang  sesuai. Setelah proses meshing dilakukan, uji konvergensi dilakukan untuk menentukan apakah kepadatan  mesh  cukup.  Untuk  meningkatkan kepadatan meshing, beberapa tes dapat dilakukan  setelah  memperbaiki  mesh.  Namun, jika solusinya masih tidak konvergen, maka perlu dilakukan  perubahan  model  terhadap  tipe  mesh yang lebih halus.
Untuk  penelitian  ini,  digunakan unstructured mesh ruang  tiga  dimensi.  Solusi  itu  dicapai setelah  memurnikan  mesh.  Mesh  yang  tidak terstruktur  memberikan  nilai  yang  stabil  bahkan setelah  pemurnian  yang  mengindikasikan  bahwa kepadatan mesh dari meshing sebelumnya sudah cukup. Akhirnya, mesh tidak terstruktur
memberikan  hasil  yang  lebih  akurat  dan  lebih stabil bahkan dengan jumlah derajat kebebasan  yang  lebih  rendah  (DOF)  yang sesuai dengan penelitian ini.
Dari  meshing  pada  geometri  yang  disajikan pada  Gambar  3  dihasilkan  sebanyak  3606 elemen.

## 4. HASIL dan DISKUSI
Setelah  tahapan  meshing  diselesaikan,  hasil dan  diskusi  dibagi  dalam  3  bagian  sebagai berikut:
4.1.      Kecepatan  udara,  Kontur  udara,  dan Pola aliran udara.
Kecepatan  udara  yang  dimodelkan  dan disimulasikan  dalam  studi  ini  mempunyai  nilai 1.73  m/s  yang  didapatkan  dari  hasil  tertinggi selama  pengukuran  dilakukan.  Hasil  simulasi terhadap model distribusi aliran udara disajikan pada Gambar 4.
Gambar 4. Distribusi kecepatan udara dengan nilai input 1.73 m/s
Perilaku  distribusi  udara  yang  disajikan  pada Gambar  4  mengindikasikan  bahwa  kecepatan udara  baik  di  ruang  kantor  maupun  lorong  1 masih  dikategorikan  memiliki kecepatan  udara yang  cukup  tinggi.  Selanjutnya,  sebuah analisis  yang  sudah  dilakukan  oleh  Humpreys mengindikasikan  bahwa  dalam  iklim  tropis pergerakan udara  merupakan komponen penting  dalam  menentukan  kenyamanan. Dimana,  kecepatan  aliran  udara  di  atas  0.1 m/s  dan  cukup  konstan  dapat  meningkatkan kenyamanan  terhadap  temperature  seperti yang dirumuskan pada persamaan 3.
7 – (50/4+10v 0.5 )°C                                      (3)
Kemudian  kontur  kecepatan  udara  diilustrasikan pada Gambar 5 dibawah ini.
Gambar  5.  Kontur  kecepatan  udara  dengan nilai input 1.73 m/s
Kontur  kecepatan  udara  yang  didapatkan  pada studi  ini  mengikuti  pola  yang  didapatkan  pada studi  sebelumnya  (1).  Selain  itu,  pada  studi  ini digambarkan bahwa magnitude kecepatan terdapat  pada  posisi  sumber  pasokan  udara (inlet) dan posisi arah keluar udara (outlet). Untuk mengetahui secara detail pola aliran udara maka  dilakukan  simulasi streamline dan  hasilnya disajikan pada Gambar 6 dibawah ini.
Gambar 6. Arah aliran udara ( streamline ) Berdasarkan Gambar 6  mengenai pola streamline udara  menunjukan  bahwa  pada lokasi  yang  memiliki  perubahan  luas  area seperti  area  ruang  kantor  dan  lorong  1 mempunyai peluang untuk udara bertumbukan sangat  besar  sehingga  terjadi  turbulensi  pada area  tersebut  dan  mempunyai  implikasi terhadap  kurangnya  distribusi  udara  secara merata  dalam  keseluruhan  ruangan.  Hal tersebut sejalan dengan temuan dari penelitian yang dilakukan oleh Putra (1).

## 4.2.   Distribusi temperatur udara.
Setelah  simulasi  terhadap  distribusi  udara berhasil  dilakukan,  tahap  selanjutnya  adalah melakukan  pemecahan  terhadap  pemodelan distribusi  temperatur.  Hasil  dari  pemodelan tersebut disajikan pada Gambar 7 di bawah ini.
Gambar 7. Distribusi suhu udara di dalam ruangan kantor dan lorong
Berdasarkan  hasil  simulasi  terhadap  distribusi temperatur  di  dalam  ruangan  kantor  seperti yang  disajikan  pada  Gambar  7.  Dapat diketahui bahwa distribusi suhu udara di dalam ruangan  kantor  dan  lorong  mengindikasikan bahwa  aliran  udara  tidak  terdistribusi  dengan baik.  Hal  tersebut  dapat  terlihat  dari  sebaran nilai  temperatur  yang  seragam  hampir  di semua  lorong  dan  ruangan  kantor.  Kemudian
dilakukan  studi  parametrik  terhadap  kecepatan udara  untuk  mengetahui  pengaruh  lebih  lanjut apakah  nilai  kecepatan  udara  berpengaruh terhadap  sebaran  temperature  di  dalam  ruang tertutup dalam hal ini adalah ruang kantor. Nilai kecepatan udara yang digunakan pada studi ini ditabulasikan pada Tabel 1 dibawah ini.
Tabel  1.  Nilai  kecepatan  udara  untuk  studi parametrik Nomor model Kecepatan udara (m/s) 1 0.5 2 1
Arah aliran udara untuk kecepatan udara 0.5 m/s dan 1 m/s disajikan pada Gambar 8 dan Gambar 9 dibawah ini secara berurutan.
Gambar 8. Arah aliran udara pada saat kecepatan udara = 0.5 m/s
Gambar 10. Arah aliran udara pada kecepatan = 1 m/s
Pola  aliran    udara  dipengaruhi  oleh  letak  outlet yang mendukung arah pergerakan udara di dalam ruangan. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 9 dan Gambar  10  mengenai  arah  aliran  udara  dengan nilai  kecepatan  udara  yang  berbeda  tetapi menunjukan pola pergerakan yang sama. Namun, dalam  strategi  untuk  pengenceran  polutan  di dalam  ruangan  perlu  di  lakukan  simulasi  untuk mendapatkan  kecepatan  yang  efektif  dalam melakukan  hal  tersebut.  Karena  pendekatan dalam  studi  tersebut  sangat  erat  kaitannya terhadap waktu.
Selanjutnya,  implikasi  studi  parametrik  terhadap pola  sebaran  temperature  di  sajikan  pada Gambar  11  dan  Gambar  12  di  bawah  ini  secara berurutan.
Gambar 11. Distribusi temperature pada model 1

## .
Gambar 12. Distribusi temperature pada model 2
Berdasarkan  distribusi  temperatur  yang  telah disajikan  pada  Gambar  11  dan  12  terlihat  bahwa pola  sebaran  distribusi  temperatur  terlihat  merata baik di dalam ruangan maupun  di  luar ruangan. Hal tersebut  mengindikasikan  bahwa  nilai  kecepatan udara  yang  digunakan  dalam  parametrik  studi  ini tidak  cukup  untuk  menurunkan  kondisi  temperatur baik di lokasi pasokan udara maupun di lokasi yang letaknya jauh dari pasokan udara tersebut.

## 4. KESIMPULAN
Kesimpulan  yang  diperoleh  dari  penelitian  ini adalah sebagai berikut:
1.  penentuan lokasi pasokan udara mempunyai  dampak  penting  bagi  sebaran udara  dan  temperatur  di  dalam  ruang tertutup
2.  Lokasi  outlet sebagai  jalur  distribusi  udara dapat direkayasa sebagai salah satu solusi dalam  mendistribusikan  udara  segar  atau mendistribusikan  kenyamanan  terma  di dalam ruangan

## DAFTAR PUSTAKA
1. Chandra J, Putra P. A study of thermal comfort and  occupant  satisfaction  in  office  room.
Procedia Eng [Internet].  2017;170:240 –7. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.057 2. Bauman  FS,  Arens  EA,  Ph  D.  TASK  / AMBIENT CONDITIONING SYSTEMS : ENGINEERING AND APPLICATION GUIDELINES  FINAL  REPORT.  Vol.  94720. 1996.
3. ASHRAE  Standard 55.  Thermal  Environmental Conditions for Human Occupancy. 2003.
4. Cena  K,  de  Dear  R.  Thermal  comfort  and behavioural  strategies  in  office  buildings located  in  a  hot-arid  climate.  J  Therm  Biol
[Internet].  2001  Sep  [cited  2016  Jul  30];26(4 – 5):409 –14. Available from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0306 456501000523 5.
Fanger  P.  O.  Moderate  Thermal  Environments Determination  of  the  PMV  and  PPD  Indices  and Specification  of  the  Conditions  for  Thermal Comfort. 1984.
6. Robinson  S.  Conceptual  modelling  for  simulation Part  I:  definition  and  requirements.  J  Oper  Res
Soc [Internet]. 2007 Jan 24;59(3):278 –90. Available from: http://dx.doi.org/10.1057/palgrave.jors.2602368 7. Shannon  RE.  Systems  Simulation  -  The  Art  and Science.  BBAA  VI  International  Colloqium  on: Bluff  Bodies  Aerodynamics  &  Applications.  NJ: Prentice- Hall; 1975.
8. Lin  Z,  Chow  TT,  Tsang  CF,  Fong  KF,  Chan  LS. CFD  study  on  effect  of  the  air  supply  location  on the  performance  of  the  displacement  ventilation system.  Build  Environ  [Internet].  2005  Aug  [cited 2014  Nov  24];40(8):1051 –67.  Available  from: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S036013 2304002811
9. B.  Zhao  JW.  Effect  of  Particle  Spatial  Distribution on  Particle  Deposition  in  Ventilation  Rooms. 2009;170:449 –56.