Makalah Smart Windows [PDF]

Citation preview

MAKALAH BANGUNAN PINTAR DENGAN SMART WINDOWS Tugas ini Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Bangunan Pintar



Disusun Oleh : Kelompok 10 Abiano Al-Affan



151734001



Rizky Adi Firdaus



151734028



Tika Faradita Anggraeni



151734032



D IV TEKNIK KONSERVASI ENERGI JURUSAN TEKNIK KONSERVASI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2019



SMART WINDOWS I.



Pendahuluan Guna meningkatkan kenyamaan lingkungan pada suatu bangunan dengan



meningkatkan efisiensi energi dari bangunan tersebut, untuk mencapai carbon neutral dan zero energy buildings (ZEB), adalah dengan melakukan tinjauan secara menyeluruh terhadap karakteristik bangunan dan kebutuhan energi yang diperlukan. Solusi terbaik untuk mencapai target tersebut adalah dengan menggunakan teknologi yang dapat memberikan kenyamanan seiring dengan kondisi iklim dan paparan sinar matahari yang berbeda-beda. Jendela dalam sebuah bangunan memiliki peran yang sangat penting dalam menentukan penggunaan energi dari sebuah bangunan, yang secara signifikan mempengaruhi tingkat kenyamanan lingkungan dalam suatu ruangan. Jendela dalam bangunan pintar, merupakan suatu sistem kompleks yang tak hanya berguna sebagai penghalang tetapi juga sebagai filter lingkungan. Serta berpotensi sebagai pengatur panas, radiasi matahari, udara, dan uap, dan kini jendela juga bisa digunakan untuk mengubah radiasi matahari menjadi energi (panas dan listrik) yang bisa dimanfaatkan oleh penghuninya. Dalam konteks ini, lapisan tipis dan transparan diantara jendela bangunan yang memiliki peran-peran penting tersebut, yang bisa memfilter iklim dari lingkungan luar namun akan membuat lingkungan di dalamnya tetap nyaman. Selain itu, mampu juga menyeimbangkan kenyamanan visual dengan kelembaban dalam suatu ruangan, serta dapat mengurangi penggunaan AC dan konsumsi energi pencahayaan. Lapisan tersebut harus memiliki desain yang akurat dan berintegrasi dengan peralatan mekanik juga target kinerja. Jika tidak maka akan membuat lingkungan tidak nyaman dan terjadi disipasi energi pada bangunan. Menurut Departement of Energy of the United States, sebanyak 25% - 35% energi pada suatu bangunan terbuang begitu saja karena penggunaan jendela yang tidak efisien. The California Energy Commission memperkirakan bahwa sekitar 40% dari cooling demand pada bangunan digunakan untuk menurunkan temperatur dari sinar matahari yang masuk melalui jendela. Solusi untuk mengurangi penggunaan



tersebut



dapat



menggunakan



smart



windows,



yang



dapat



memungkinkan penghematan energi, transmisi cahaya dalam sebuah ruangan,



kenyamanan termal, dan visual berkaitan dengan kondisi lingkungan luar dan kebutuhan penggunanya. Sistem smart windows ini akan berkaitan dengan kontrol sistem pencahayaan dan sistem kontrol pendingin udara. Beberapa proyek percontohan yang sudah diterapkan pengggunaan smart windows, telah menunjukan penghematan penggunaan energi hingga 60% untuk penerangan, pengurangan beban pendinginan hingga 20%, dan mengurangi beban puncak hingga 26%. II. Smart windows Smart windows adalah salah satu topik yang sangat menarik untuk dibahas mengingat meningkatnya penggunaan jendela yang semakin canggih. Berdasarkan mode operasinya, smart windows dibedakan dalam dua kategori utama, yaitu dengan kontrol pasif (passive system) atau self-regulating dan kontrol aktif (active system), disesuaikan dengan kebutuhan pengguna. II.1 Passive Dynamical System Passive dynamic system tidak memerlukan aliran listrik dalam sistem operasinya. Sistem ini merespon secara langsung terhadap stimulus alamiah seperti cahaya (photochromic glass) atau panas (thermochromic and thermotropic glazing). Dibandingkan dengan active system, sistem ini lebih mudah dipasang dan lebih andal untuk dikendalikan oleh pengguna berdasarkan permintaan. Passive dynamical system terdiri dari dua jenis, yaitu: 1) Photochromic Glazing



Gambar 1 Photochromic glazing



Photochromic glass dapat mengubah sifat transparansi secara otomatis sehubungan dengan intensitas cahaya matahari. Kemampuan ini dikarenakan terdapat senyawa organik atau anorganik di dalam kaca yang bertindak sebagai optical sensitizer (cairan yang bersifat peka cahaya), seperti logam halida (klorida dan perak bromida) yang sangat reaktif terhadap cahaya ultraviolet, dapat menyerap energi matahari sesuai dengan variasi spektrum warna matahari. Ketika photocromic glass terkena paparan radiasi matahari secara langsung, perbedaan dalam penyerapan spektral antara energy layers of glass dan substansi tambahan akan membuat proses pembentukan warna yang intens. Kecepatan respon terhadap perubahan lingkungan memerlukan waktu dua kali lebih lama, untuk mengubah dari kondisi sebelumnya ke kondisi yang baru. Lamanya waktu respon ini akan menyebabkan masalah jika terjadi perubahan cahaya matahari secara tiba-tiba, kasus ini sering terjadi sehingga menyebabkan area cahaya dan bayangan pada jendela tidak memiliki spektrum warna yang sama atau tidak merata sehingga tidak sedap dipandang oleh mata. Berdasarkan chromatic transition, kaca jenis ini menjadi lebih mudah untuk melakukan penyerapan sinar matahari daripada merefleksikannya sehingga memungkinkan terjadinya fenomena overheating yang dapat menyebabkan thermal shock jika radiasi mataharinya terlalu kuat. 2) Thermochromic Glazing



Gambar 2 Thermochromic glazing



Thermochromic glazing mampu memodifikasi sifat optiknya sesuai dengan suhu permukaan luar, yang menentukan reaksi kimia atau transisi fase antara dua keadaan yang berbeda. Kaca tetap transparan ketika suhu lebih rendah dari



lingkungan, sedangkan kaca akan menjadi buram ketika suhu lebih tinggi dari lingkungan. Interval suhunya antara 10oC (transparasi maksimum) sampai 65oC (transparansi minimum). Thermochromic glass dapat diamati dalam berbagai senyawa organik dan anorganik serta dalam metal film oxides, seperti vanadium oksida. Untuk saat ini, bahan themrochromic glazing yang paling bisa diandalkan adalah polyvinyl butyral (PVB) dengan ketebalan 1,2 mm, sejak diperkenalkan pertama kalinya di pasaran pada akhir tahun 2010, hal ini dikarenakan PVB adalah salah satu produk yang paling sering digunakan karena memiliki integrasi yang terbaik dalam proses pembuatannya dan memungkinkan untuk memiliki biaya produksi yang rendah dan lebih berkualitas. Waktu operasi dari penggunaan kaca ini minimal 20 tahun dan biaya pemasangan yang lebih murah dari active system. Kelemahannya, tidak adanya kontrol pengguna dan tidak dicapai suhu yang dibutuhkan, bahkan tidak dapat menghilangkan silau bagi pengguna. Durasi dari penggunaan kaca ini sekitar 20 tahun dan lebih murah dari kaca dengan teknologi active control dynamical. II.2 Active Dynamical Systems Active dynamical system dapat dikontrol secara langsung atau terhubung ke sistem manajemen bangunan ynag sudah terkomputerisasi untuk merespon perubahan kondisi luar lingkungan (suhu dan radiasi matahari) atau juga kondisi lingkungan pada ruangan (suhu, tingkat pencahayaan alami dan buatan, panas yang masuk, jumlah penghuni ruangan) atau bisa juga disesuaikan dengan kebutuhan pengguna. Penggunaan sistem ini secara signifikan bisa mengurangi konsumsi energi untuk AC dan penerangan, dengan perkiraan penghematan lebih dari 20%. Teknologi paling canggih dari sistem ini adalah dengan mengintergrasikannya dengan sistem photovoltaic, untuk memenuhi kebutuhan listrik total. Active



dynamical



system



memerlukan



sistem



operasi



dalam



pengendaliannya, bagian dari sistem ini yang dapat dikendalikan secara elektrik adalah electrochromic glass, liquid crystal devices, dan teknologi terbaru yang masih dalam tahap eksperimen adalah micro blind atau pelapisan dengan nanoteknologi. Masing-masing teknologi ini memiliki karakteristik, kinerja, dan



biaya pemasangan yang berbeda, sehingga harus disesuaikan dengan syarat-syarat yang ditentukan seperti privasi, kecepatan switching, pengurangan cahaya matahari, dan lain-lain. Electrochromic windows merupakan generasi terbaru dari teknologi switchable glazing atau smart windows yang dapat mengubah transmisi cahaya, transparansi cahaya, atau shading dari jendela sebagai respon terhadap lingkungan. Bahan elektrochromic merupakan bahan yang sangat tepat digunakan saat ini tak hanya cocok diterapkan pada bangunan, melainkan bisa digunakan pada kendaraan, pesawat terbang, pesawat luar angkasa, dan marine glazing. Beberapa tahun belakangan ini, minat dalam penggunaan electrochromic windows semakin meningkat dan diperkirakan akan terus mengalami peningkatan hingga abad mendatang. Salah satu isu dalam penggunaan smart windows yang menggunakan pelapis kaca dengan switch listrik (electrical switchable glazing) adalah biaya perangkat yang mahal serta harus mempertimbangkan apakah dengan biaya yang mahal tersebut dapat menghasilkan manfaat dalam penggunaan energi dan masa pakainya. Biaya pemasangan electrochromic windows berkisar antara $100 – 1000 per m2, atau berkisar antara Rp1.412.500 – 14.125.000 per m2 (mengikuti kurs rupiah terhadap dollar saat ini). Beberapa perusahaan yang telah menerapkan penggunaan electrochromic windows ini menghabiskan biaya $100 – 250 per m2. Meskipun begitu, penggunaan smart windows menggunakan bahan electrochromic masih terus dikembangkan supaya memiliki masa pakai yang lama seperti pelapis jendela biasa, serta biaya pemasangan yang murah.



Cara Kerja Electrochromic Windows



Gambar 3 Lapisan pada electrochromis windows dan cara kerjanya



Electrochromic windows tersusun dari beberapa bahan lapisan material yang terdiri dari transparent conductor (TC), electrochromic coating (EC), ionic conductor (IC), dan counter electrode (CE) yang terletak diantara dua lapisan kaca. CE juga dapat memiliki sifat electrochromic, yaitu dapat meningkatkan perubahan warna pada jendela. Fungsi dari CE adalah untuk membawa ion hidrogen atau lithium dari lapisan penghasil ion, untuk kemudian menginjeksikannya ke dalam lapisan electrochromic. Lapisan electrochromic biasanya menggunakan bahan tungsten oksida (WO3), sehingga ketika buram warna jendela akan berubah menjadi hijau atau biru. Kehadiran ion pada lapisan electrochromic dapat mengubah sifat optiknya, yang menyebabkan lapisan tersebut menyerap cahaya yang tampak sehingga jendela akan menjadi gelap.



Gambar 4 Lapisan pada electrochromis windows dan cara kerjanya



Electrocromic windows dibuat dengan mengapit beberapa lapisan bahan diantara dua lapisan kaca. Berikut ini merupakan susunan material yang terdapat pada electrochromic windows : 1. Kaca 2. Conducting oxide 3. Electrochromic (WO3) 4. Ion conductor atau electrolite 5. Ion storage 6. A second layer of conducting oxide 7. Lapisan kaca yang kedua



Gambar 5 Susunan lapisan electrochromic windows



Ion di dalam lapisan electrochromic yang memungkinkan untuk terjadinya perubahan pada jendela dari buram menjadi transparan atau dari transparan menjadi buram. Ion-ion ini yang memungkinkan untuk menyerap cahaya dari matahari yang masuk dan mengarah ke jendela. Berdasarkan gambar 3, sumber daya



disambungkan ke dua lapisan konduktor oksida transparan, sehingga ketika lapisan tersebut dialiri listrik akan membuat ion pada lapisan ion storage terdorong ke lapisan ion conductor/electrolyte hingga ke lapisan electrochromic. Ion-ion tersebut yang akan membuat kaca menjadi buram ketika tersinari cahaya matahari yang terik. Jika lapisan tidak dialiri listrik, maka ion-ion akan terdorong kembali dari lapisan electrochromic ke lapisan ion conductor hingga akhirnya kembali lagi ke lapisan ion storage. Ketika ion-ion tersebut meninggalkan lapisan electrochromic, maka jendela akan berubah kembali menjadi transparan. Ion-ion yang bergerak tersebut adalah anion lithium.



Gambar 6 Struktur skematik electrochromic device



Perangkat akan menunjukan modulasi cahaya dengan menerapkan DC potensial diantara dua lapisan ITO. Pewarnaan/buramnya jendela akan dicapai bila diberikan tegangan sebesar 1,5 Volt ke ITO di sisi NiO. Jika tegangan yang diberikan -1,5 Volt maka jendela akan menjadi transparan kembali. Ketika tegangan diberikan, di kedua ITO terjadi perpindahan elektron ke WO3. Secara bersamaan, sebuah kation M+ diinjeksikan dari elektrolit. Sehingga WO3 merupakan bahan elektrolit katodik. Akibatnya pengurangan WO3 terjadi perubahan warna dari transparan menjadi buram atau biasanya berwarna biru tua, dapat dilihat dengan persamaan berikut WO3 (clear) + xe- + xM- → MxWO3 (deep blue) (M=H1L1) Disisi lain, elektroda NiO dioksidasi karena adanya penyisipan OH- ke ITO untuk mengkompensasi elektron yang diinjeksikan ke WO3. Sehingga NiO merupakan bahan electrochromic anodik, perubahannya dapt digambarkan menggunakan persamaan berikut



NiO (clear) + xOH- →NiO(OH)x (gray) + xeJika perangkat berfungsi dengan baik, maka perubahan sifat lapisan kaca akan memiliki spektrum warna yang sempurna di seluruh permukaan. Penggelapan terjadi dari tepi kaca, beberapa detik/menit kemudian perlahan-lahan bergerak ke tengah kaca tergantung dari ukuran/luas kaca. Proses tersebut membutuhkan waktu 5 – 10 menit pada kaca berukuran 90 x 150 cm pada iklim hangat, sehingga proses penggelapan tercapai hingga 90%. Jika dalam kondisi suhu rendah, waktu yang diperlukan akan sedikit lebih cepat. Perubahan warna yang lambat tersebut akan menguntungkan penghuni supaya bisa beradaptasi secara alami terhadap perubahan tingkat cahaya tanpa gangguan. Electrochromic windows memberikan visibilitas yang memadai walau dalam kondisi gelap, sehingga penghuni di dalam ruangan tetap bisa melihat dengan jelas ke lingkungan luar. Adapun keunggulan dari penggunaan electrochromic windows adalah dapat beralih dari kondisi buram ke transparan dengan tegangan 1 – 5 Volt, suhu operasi permukaan kaca berkisar antara -20oC hingga 80oC. Dapat digunakan pada area yang luas, daya tahan penggunaan 20 – 30 tahun, dan kecepatan switching warna dari buram ke transparan membutuhkan beberapa menit. Kecepatan switching dipengaruhi oleh kondisi lingkungan dan luas area kaca, kecepatan switching berkurang dengan meningkatnya luas area kaca sebagai fungsi dari resistansi total jendela dan jarak antara bus bar. Beberapa penilitan juga menunjukan bahwa kecepatan switching juga dipengaruhi oleh temperatur kerja bahan yang digunakan. Sebagai contoh, bahan WO3 akan melambat jika kondisi lingkungan dibawah suhu kamar, sedangkan bahan iridium oksida akan merespon cepat jika temperatur lingkungannya -10oC.