## Studi aliran fluida melalui ventilasi penangkap angin bangunan gedung di Kota Pekanbaru
Eddy Elfiano 1 , Kurnia Hastuti 1 , Ibrahim Rasyid 1 , M. Arif Rahmat Firgiyandi 1 , Alfinovawan Lumban Tobing 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Islam Riau Jl. Kaharuddin Nasution, Marpoyan, Kota Pekanbaru, Riau 28284 Email korespondensi: eddy_elfiano@eng.uir.ac.id

## Abstrak
Sistem penangkap angin (wind catcher) sudah dimanfaatkan di beberapa negara di kawasan Timur Tengah, Afrika  Utara  bahkan  di  Eropa.  Sistem  ini  digunakan  untuk  meningkatkan  kualitas  udara  dalam  ruangan  dan mengurangi  ketergantungan  pada  beban  pendingin.  Sirkulasi  alami  fluida  ini  disebabkan  adanya  perbedaan densitas, sehingga densitas fluida yang ringan akan didesak oleh densitas fluida yang berat untuk keluar melalui ventilasi  di  dalam  ruangan.  Studi  ini  fokus  untuk  mengkaji  aliran  melalui  ventilasi  hingga  masuk  ke  dalam ruangan bangunan. Data empirik yang diperoleh dari literatur hingga eksperimen menunjukkan adanya sifat-sifat fluida  berdasarkan  perbedaan  tekanan  dan  kecepatan  yang  bergerak  berawal  turbulance  hingga  akhirnya melambat dengan laminar. Penangkap angin ini memiliki ventilasi dengan model lingkaran dan empat persegi dalam bentuk vertikal dengan luasan laluan fluida yang sama. Tinggi bangunan gedung tempat penangkap angin yang diletakkan yaitu 12 meter dan tinggi penangkap angin dari permukaan datum adalah 4 meter. Salah satu data  yang  diperoleh  dari  anemometer  pada  kajian  ini  menunjukkan  adanya perbedaan kecepatan  fluida  yang masuk melalui ventilasi berbentuk lingkaran dan empat persegi vertikal yaitu 0,60 m/s dan 1,10 m/s, sementara kecepatan fluida yang sampai ke dalam ruangan sebesar 0,30 m/s dan 0,80 m/s berturut-turut. Beberapa studi menyatakan bahwa kenyamanan penghuni ruangan didapat mulai dari kecepatan 0,25 m/s hingga 0,50 m/s. Model penangkap  angin  ini  berdasarkan  keadaan  alam,  sehingga  disebut  juga  dengan  sistem  pendinginan  pasif. Berdasarkan  hasil  kajian  ini  dan  faktor  geografi  kota  Pekanbaru,  memungkinkan  untuk  disosialisasikan pemanfaatan wind catcher sebagai pendinginan suatu bangunan.
Kata kunci : wind catcher, anemometer , kecepatan fluida, kualitas udara.

## Abstract
Wind catcher have been used in several countries in the Middle East, North Africa and even Europe. This system is used to improve indoor air quality and reduce dependence on cooling loads. The natural circulation of this fluid is due to the difference in density, so that the light density of fluid will be forced by the heavy fluid density to exit through the ventilation in the room. This study focuses on assessing the flow through the ventilation to enter the building. Empirical data is obtained from the literatures to experiments show that there are fluid properties based on differences  in pressure and  velocity, which starts with turbulence and  eventually slows down with a laminar regime. This wind catcher has ventilation with circular and rectangular models in a vertical shape with the same fluid passage area. The height of the building where the wind catcher is placed is 12 meters and the height of the wind catcher from the datum surface is 4 meters. One of the data is obtained from the anemometer in  this  study  to  shows  that  there  are  differences  in  the  velocity  of  the  fluid  entering  through  the  circular  and rectangular vertical vents, namely 0.60 m/s and 1.10 m/s, while the velocity of the fluid entering the room is 0.30 m/s and 0.80 m/s respectively. Several studies state that the comfort of the occupants of the room is obtained from air velocity of 0.25 m/s to 0.50 m/s. This wind catcher model is based on natural conditions, so it is also called a passive cooling system. Based on the results of this research and the geographical factors of the city of Pekanbaru, it is possible to socialize the use of wind catchers as cooling a building.
Keywords : wind catcher, anemometer, fluid velocity, air quality.

## 1. Pendahuluan
Penangkap angin atau Wind catcher sudah digunakan sejak 2000 tahun yang lalu di kawasan Timur Tengah seperti  Dubai,  Jordan,  Bahrain,  Oman,  Iran  dan Pakistan  [1].  Sebelum  ditemukan  sistem  pendingin mekanis,  alat  ini  memanfaatkan  sumber  daya  alam untuk  memberikan  kenyamanan  ruangan  di  iklim panas, salah satu contohnya adalah penangkap angin.
Wind  catcher adalah  komponen  arsitektur  yang ditempatkan  pada  atap  bangunan  yang  memberikan udara  segar  ke  dalam  ruangan  dan  mengeluarkan udara  tidak  segar  melalui  jendela  atau  pembuangan lainnya  [2].  Bentuk  penangkap  angin  tidak  hanya indah dan dekoratif, tetapi juga memiliki fungsi dan potensi  yang  cukup  besar  karena  berperan  penting dalam  sistem  pengkondisian  udara  melalui  ventilasi untuk  ruangan,  gudang,  maupun  tempat  ibadah dengan cara alami tanpa menggunakan energi listrik
[3],  karena wind catcher tidak memiliki bagian yang bergerak, sehingga membantu mengurangi kebisingan dengan  biaya  perawatan  yang  murah  [4].  Selain sistem air  conditioning (AC)  biasa,  ada  alternatif solusi yang ditawarkan untuk diterapkan dalam sistem ventilasi gedung, seperti ventilasi alami dan ventilasi model  campuran  [5].  Sebuah  kajian  menyebutkan bahwa keuntungan penangkap angin dapat mengurangi  suhu  dalam  ruangan  hingga  10 o [6]. Kenyamanan  suhu  di  dalam  ruangan  berpengaruh besar terhadap kehidupan  manusia, apabila kenyamanan  suhu terpenuhi akan  berdampak  positif pada  produktivitas  kinerja  manusia,  sehingga aktivitas dalam bangunan berjalan dengan maksimal [7]. Hampir setengah dari total penggunaan listrik di gedung-gedung  adalah  demi  menyediakan  kondisi udara yang nyaman secara termal, seperti dilansir dari penggunaan air  conditioning (AC)  di  negara-negara tropis  [8].  Konsumsi  energi  meningkat  karena pengaturan  suhu  yang  lebih  rendah  digunakan.  Di beberapa  negara,  keadaan  ini  telah  mengarah  pada kampanye pengaturan suhu minimum seperti Cool Biz Jepang,  mempromosikan  pengaturan  AC  minimum 28°C  untuk  pendinginan  [9],  dan  pemerintah Malaysia mempromosikan penggunaan suhu minimum 24°C di gedung perkantoran [10].
Kajian lain menyebutkan bahwa kecepatan angin dan pengaruh terhadap kenyamanan termal berkisar antara 0,25–0,50  m/s  [11],[12]. Wind  catcher berbentuk menara dengan tinggi antara 3 meter hingga 33 meter dan dipasang pada bagian atap bangunan tergantung dari  jenis  bangunan  yang  akan  dipasang  dengan tujuan  untuk  menangkap  angin  pada  ketinggian tertentu  dan  langsung  menyalurkan  angin  ke  bagian dalam  bangunan.  Faktor-faktor  penentu  untuk memaksimalkan  kinerja  dari  penangkap  angin  yaitu potensi  angin  lokal,  kelembapan  udara,  suhu,  dan intensitas cahaya matahari.

## 2. Metode
Kota  Pekanbaru  terletak  antara  101°14'  -  101°34' Bujur Timur dan 0°25' - 0°45' Lintang Utara. Lokasi pengambilan data berada di atas gedung lantai empat Fakultas  Teknik,  Universitas  Islam  Riau  di Kecamatan  Bukit  Raya.  Wilayah  ini  memiliki ketinggian  dari  permukaan  laut  yaitu  27,04  mdpl dengan kecepatan angin rata-rata selama tahun 2019 sekitar 2,88 m/s [13].
Experimental  setup dilakukan  pada  bangunan wind catcher dengan  tinggi  4  m,  menggunakan  bentuk geometri ventilasi vertikal, horizontal dan lingkaran. Ventilasi berada di keempat sisi.  Bagian dalam  dari badan  dibuat  saluran  angin  berbentuk  konvergen, diameter  saluran  mengecil  ke  bawah,  dimaksudkan untuk  mempercepat  kecepatan  angin  yang  akan masuk  ke  dalam  bangunan  gedung  (Gambar  1). Peralatan  ukur  yang  digunakan  seperti  anemometer (merek Flowatch ,  Swiss  dengan  bahan  aluminium, diameter windspeed  impeller 20  mm),  termometer
digital  (K type  thermocouple APPA  50BK), hydrometer (DEKKO  FD-7175),  dan pyranometer (LP  PYRA  02,  dengan radiomete r Delta OHM  HD 2102.2) untuk melihat dan mengobservasi fenomena angin yang diharapkan secara alami masuk ke dalam wind catcher .
Gambar 1. Skema bangunan.
Keterangan:
1. Atap
2. Tower 3. Opening / Ventilasi 4. Cover
5. Partisi
Bangunan wind  catcher terbuat  dari  rangka  baja ringan  yang  disambung  menggunakan  baut  dan ditutup  dengan  plastik  pada  ekperimen  ini.  Dalam kenyataannya wind  catcher terbuat  dari  bahan  batu bata  untuk  menghindari  konduksi  panas  dari lingkungan,  sehingga  suhu  angin  yang  masuk  ke dalam  bangunan  diharapkan  dapat  mendekati  suhu nyaman. Kajian lain menyebutkan bahwa kenyamanan thermal merupakan  kondisi  di  mana seseorang  merasa  nyaman  dengan  keadaan  suhu lingkungannya  [14].  Standar  kenyamanan  termal untuk  kategori  hangat  nyaman  untuk  kondisi khatulistiwa  (Kota  Pekanbaru)  adalah  pada  suhu udara 22,5ºC - 29ºC dengan kelembapan udara 20 – 50%.
Pengambilan  data  dilaksanakan  dari  tanggal  04-14 Januari  2021,  dimulai  dari  pukul  09.00-15.00.  Data yang diambil tiap 15 menit sekali. Seperti yang kita ketahui kenyamanan suhu ruangan juga kita perlukan untuk malam hari. Pemasangan alat untuk mengukur suhu dipasang pada tiap-tiap 2 m dari ketinggian wind catcher .  Sebelum  melakukan  pengambilan  data, sebaiknya  mengukur  suhu  lingkungan  sebagai perbandingan suhu yang masuk ke dalam ruangan.
Penggunaan  anemometer  dengan  cara  mengarahkan ke  beberapa  tempat  pada wind  catcher yaitu  yang pertama  pada  bagian  atas  atau  pada  ventilasi masuknya angin, kedua pada bagian tengah alat dan yang  terakhir  pada  bagian  bawah  tempat  masuknya angin ke dalam ruangan yang bertujuan untuk melihat kecepatan  angin  yang  dihasilkan  dan  tingkat  stabil
4 m
angin  yang  masuk  ke  dalam  ruangan.  Pengambilan data kelembapan udara yang dihasilkan dengan cara menggunakan hygrometer yang  diletakkan  pada bagian bawah wind catcher tempat aliran angin masuk ke  dalam  ruangan  dan  akan  menampilkan  data relative  humidity (RH) yang akan dinyatakan dalam persentase  (%).  Pengambilan  data  intensitas  cahaya matahari pada setiap menit dengan menggunakan alat pyranometer dan  dinyatakan  dalam  W/m2.  Tujuan diambil data intensitas cahaya matahari untuk melihat apakah  terdapat  pengaruh  pada  tiap-tiap  parameter seperti  kecepatan  angin,  suhu  ruangan  dan kelembapan  di  dalam  ruangan.  Apabila  semua  data sudah  didapatkan  dan  dievaluasi,  selanjutnya dilakukan simulasi dengan CFD Ansys Fluent untuk memprediksi distribusi aliran udara.
Parameter-paremeter yang diperoleh akan digunakan untuk  analisis  dan  investigasi  pada  kajian  ini. Parameter yang digunakan adalah laju aliran volume angin (Persamaan 1), air change per hour (Persamaan 2),  laju  aliran  volume  udara  melalui  ventilasi wind catcher dalam ruangan bangunan (Persamaan 3) dan Bilangan Reynold.
Q = ν surr A (1)
ν surr = Kecepatan angin lingkungan, m/s
A = Area, m 2 Q = Laju aliran volume angin, m3/s
N ACH = 60 × ( Q / V ) (2)
N = Jumlah V =  Volume ruangan, m 3 Pergantian udara di dalam ruangan sering dinyatakan dalam  satuan  ACH  ( Air  Change  per  Hour ).  ACH merupakan  jumlah  pergantian  seluruh  udara  dalam ruangan dengan udara segar dari luar setiap jamnya.
Q vent = V ACH (1000/3600) (3)
Bentuk  aliran  (laminar,  transisi  maupun turbulance ) yang masuk ke ventilasi diprediksi dengan parameter kecepatan  angin  yang  masuk  ventilasi,  diameter hidrolik dari geometri ventilasi, massa jenis udara dan viskositas dinamik udara.
3. Hasil dan Pembahasan
Pengujian dievaluasi berdasarkan rata-rata pengambilan  data  tiap  15  menit  dalam  satu  jam. Pelaksanaan  dilakukan  selama  tujuh  hari  untuk memastikan  fenomena  aliran  angin.  Data  yang diperoleh  pada  Tabel  1  dilakukan  pada  tanggal  04 Januari  2021,  memperlihatkan  data  rata-rata pengujian.
Keterangan  dibawah  ini  menunjukkan  nomenklatur Tabel 1.
ν Surr : Kecepatan angin lingkungan (m/s) ν wd : Kecepatan angin masuk ventilasi (m/s) ν r : Kecepatan angin masuk ke ruangan (m/s)
T surr : Temperatur angin lingkungan (℃) T wd : Temperatur angin masuk ventilasi (℃) T r : Temperatur angin masuk ke ruangan (℃)
Dalam  teori  termal  dinyatakan  untuk  menurunkan suhu  angin  masuk  ke  dalam  ruangan  bangunan, dinding bangunan wind catcher harus dari bahan yang memiliki  nilai  konduktivitas  termal  yang  rendah, dalam  pemilihan  bahan  ini  harus  dipilih  batu  bata. Kecepatan angin yang masuk ke dalam ruangan masih dalam range kenyamanan  termal  berkisar  0,25-0,50 m/s.  Hal  ini  harus  memenuhi  syarat  dari  luasnya ventilasi wind  catcher dan  besarnya  ruangan bangunan  gedung.  Faktor  kelembapan  udara tergantung dari intensitas matahari. Penggunaan wind catcher ini dapat menurunkan suhu hingga 10 o seperti yang  dinyatakan  di  awal.  Ventilasi  alami  bangunan umumnya  mengarah  pada  kualitas  udara  yang  lebih baik  dan  mengurangi  beban  termal  sistem air conditioning .  Dalam  bangunan  berventilasi  alami, udara  didorong  masuk  dan  keluar  oleh  perbedaan tekanan yang disebabkan oleh angin atau gaya apung ( buoyancy force s) [15].
Pada  Tabel  1  dan  2,  walaupun  intensitas  matahari pada jam 12.00 rendah, kecepatan angin yang masuk ventilasi  tetap  besar,  keadaan  alam  ini  dievaluasi terhadap  tekanan  angin  mempengaruhi  kecepatan angin dari daerah yang bertekanan besar. Nilai rata- rata dalam tiap jam dari kecepatan angin, suhu angin dan  kelembapan  akan  digunakan  pada  tabel selanjutnya. Pada Tabel 2 memperlihatkan nilai laju aliran  volume  angin  masuk  ventilasi,  laju  aliran volume angin masuk ruangan bangunan dan ACH.
Tabel  1. Data  pengujian  pada  pengambilan  data  di  04 Januari 2021.
Time Kecepatan Angin (m/s) Suhu Udara (oC) Kelembapan RH (%) Intensitas Matahari (W/m 2 ) ν surr ν wd ν r T surr T wd T r 09.00  1,30  0,82  0,52  29,4  32,2  30,1 52,0 286,40 10.00 1,20 0,70 0,4 33,0 35,5 31,4 51,2 347,50 11.00 2,10 1,50 1,25 35,3 38,8 34,3 36,8 724,40 12.00  2,20  1,67  1,12  32,8  36,7  32,2 39,5 398,82 13.00  1,50  1,00  0,7  32,9  35,6  31,1 40,4 352,72 14.00 1,57 1,10 0,77 32,5 35,0 30,9 41,25 311,55 15.00 1,10 0,72 0,5 32,0 33,5 29,6 42,6 253,30
Tabel 2. Kalkulasi data pada pengambilan data di 04 Januari 2021.
Laju  aliran  volume  angin  merupakan  fungsi  dari kecepatan  angin  itu  sendiri,  tergantung  dari  luas laluan  angin  tersebut.  Dievaluasi  bahwa  semakin tinggi  laju  aliran  volume  angin  masuk  ke  dalam ruangan akan menghasilkan jumlah ACH yang tinggi. Artinya  jumlah  ACH  berbanding  lurus  dengan  laju aliran  volume  angin  tersebut.  Nilai  ACH  dan  laju aliran volume angin masuk ke dalam ruang bangunan pada setiap jam berbeda-beda dikarenakan mengalami peristiwa naik dan turun yang disebabkan oleh faktor cuaca. Trend pada  Tabel  1  dan  2  mewakili pengambilan  data  selama  11  hari.  Nilai  pada  tabel diperoleh dari kajian pada geometri ventilasi vertikal.
Evaluasi dan pengolahan data selanjutnya dilakukan simulasi  dengan  CFD Ansys  Fluent untuk membuktikan dan memprediksi distribusi aliran angin masuk  ke  ruangan  bangunan,  ditunjukkan  pada Gambar 2 .
Gambar 2. Simulasi CFD.
Indikator warna merah menandakan kecepatan angin dari luar menuju ventilasi tinggi dengan nilai 1,3 m/s pada  bagian  partisi  dan  mengakibatkan  angin  turun menjadi 0,9 m/s sebelum masuknya angin pada bagian windward dengan  nilai  0,82  m/s  dengan  indikator bewarna  hijau  dan  semakin  menjauh  dari  posisi
windward, kecepatan  angin  semakin  menurun dikarenakan  adanya  jarak  yang  ditandai  dengan indikator berwarna hijau pada bagian bawah dengan nilai  0,52  m/s, wind  catcher dirancang  dengan permukaan  divergen  masuknya  angin  dari  ventilasi menuju  permukaan  convergen  untuk  meningkatkan kecepatan angin masuk ke dalam ruangan.

## 4. Kesimpulan
Kajian  ini  menggunakan wind  catcher sebagai pendinginan pasif melalui ventilasi geometri vertikal alami.  Alat  ini  mempunyai  prinsip  mengondisikan udara segar dari luar untuk dimasukkan ke dalam serta menyirkulasikan  udara  di  ruangan. Wind  catcher memiliki  ketinggian  4  meter  dari  permukaan  datum dan 16 meter dari permukaan lantai dasar bangunan karena semakin tinggi suatu tempat maka angin akan bertiup semakin besar. Pengambilan data dilaksanakan  selama  11  hari.  Berdasarkan  faktor geografis  Kota  Pekanbaru,  memungkinkan  untuk disosialisasikan  pemanfaatan wind  catcher sebagai pendinginan pasif suatu bangunan .

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  pihak- pihak yang telah membantu dalam penyusunan kajian ini  terutama  kepada  Laboratorium  Konversi  Energi dan Direktorat Penelitian Dan Pengabdian Masyarakat  (DPPM)  Universitas  Islam  Riau yang telah  mendukung  semua  dana  penyusunan  kajian hingga selesai.

## Daftar Pustaka
[1] Elzaidabi,  A.A.  (2009).  Low  energy,  wind catcher  assisted  indirect-evaporative  cooling system for building applications. Nottingham:
PhD thesis, University of Nottingham.
[2] Valipour, E., & oshrieh, R. (2012). Survey of traditional  wind  catcher  of  Middle  East. ICSDEC 2012, 912-920. [3] Dehghani-Sanij,  M.  (2018,  May  25).  Wind towers: architecture, climate and sustainability. International  Journal  of  Ambient-Energy. doi:10.1080/01430750.2018.1477070 [4] Elmualim,  A.  A.,  &  H.B,  A.  (2003).  Post occupancy evaluation of a building employing wind catcher for summer ventilation. Facilities, 21(13/14). doi:10.1108/02632770310507980 [5] Damiati1, S.A. Zaki, Wonorahardjo, M.S. Mat Ali, Mat. Rijal, H.B. (2015). Thermal Comfort Survey  in  Office  Buildings  in  Bandung,
Indonesia.
[6] Nejat,  P.,  Jomehzadeh,  F.,  Hussen,  M.  H., Calautit,  K.  J.,  &  Majid,  M.  Z.  (2018, September  23).  Application  of  Wind  as  a Renewable Energy Source for Passive Cooling through  Windcatchers  Integrated  with  Wing Walls. Energies, 11(2536), 1-36.
[7] Sugini. (2004, July). Pemaknaan Istilah- Istilah Kualitas Kenyamanan  Thermal Ruang Dalam
Time Q vent (m3/s) Q (m3/s) ACH 09.00 3,46 0,208 8,32 10.00 3,20 0,192 7,68 11.00 5,60 0,336 13,44 12.00 5,86 0,352 14,08 13.00 4,00 0,24 9,60 14.00 4,18 0,251 10,04 15.00 2,93 0,176 7,04
Kaitan  Dengan  Variabel  Iklim  Ruang. LOGIKA, 1(2). doi:ISSN: 1410-2315.
[8] T. H. Karyono and G. Bahri, “Energy efficient strategies  for  JSX  building  in  Jakarta, Indonesia,” in InternationalConference “Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment,” 2005, pp. 207–211.
[9] M.Haneda,  “Workplace  productivity  and environmental  impacts  of  Cool  Biz  office,” 2010
[10]  L.  C.  Lau,  K.  T.  Tan,  K.  T.  Lee,  and  A.  R. Mohamed, “Acomparative study on the energy policies  in  Japan  and  Malaysia  in  fulfilling their  nations’  obligations  towards  the  Kyoto Protocol,” Energy Policy , vol. 37, no. 11, pp. 4771–4778, 2009
[11]  Razak, H., Gandarum, D. N., & Juwana, J. S. (2015).  Pengaruh  Karakteristik  Ventilasi  dan Lingkungan  Terhadap  Tingkat  Kenyamanan Termal  Rruang  Kelas  SMPN  Di  Jakarta Selatan. Jurnal Arsitektur, 15(2), 1 - 18.
[12]  Jomehzadeh, F., Nejat, P., Calautit, J. K., Mohd Yusof,  M.,  Zaki,  S.  A.,  Hughes,  B.  R.,  & Muhammad  Yazid,  M.  A.  (2017,  April).  A review on windcatcher for passive cooling and natural ventilation in buildings, Part 1: Indoor air  quality  and  thermal  comfort  assessment. Renewable  abd  Sustainable  Energy  Reviews, 70, 736-756. doi:10.1016.2016.11.254
[13]  Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika
Provinsi Riau (2021)
[14]  Rilatupa, J. (2008, Agustus). Aspek Kenyamanan  Thermal  Pada  Pengkondisian
Ruang  Dalam.  Jurnal  Sains  dan  Teknologi EMAS, 18(3), 191-198. [15]  Zaki. S.A , Hagishima. A, Tanimoto. J (2012). Experimental study of wind-induced ventilation  in  urban  building  of  cube  arrays with  various  layouts,  Journal  of  Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 103 (2012) 31-4