Pertemuan Ke 3 Fisika Teknik [PDF]

Citation preview

TRANSMITAN ELEMEN BANGUNAN BARLAPIS 1



U = R atau U = 1 / (1/fo + Rb + 1/fi) w/m2 oC. a Dengan : U = nilai transmitan (konduktan total), w/m2 oC fo = konduktan permukaan luar bahan, w/m2 oC Rb = resistan total lapisan elemen, m2 oC/w fi = konduktan permukaan dalam bahan, w/m2 oC Panas yang menembus elemen bangunan. Qc = A. U. ∆ T Dengan : A = luas elemen, m2 U = nilai transmitan, w/m2 oC ∆ T = perbedaan suhu permukaan luar dan permukaan dalam, oC.



Contoh : Luas dinding 3 m x 6 m = 18 m2, suhu udara di dalam ruangan = 27 oC, suhu udara luar = 30 oC, Matahari tidak mengenai dinding secara langsung. U dinding = 3,29 w/m2 oC. Hitunglah panas yang mengalir dari permukaan luar dinding kepermukaan dalam. Hitungan : U dinding = 3,29 w/m2 oC. A dinding = 3 m x 6 m = 18 m2 ∆T



= 30 oC - 27 oC = 3 oC.



Panas yang menembus dinding : Qc = A. U. ∆ T = 18 x 3,29 x 3 = 177,7 watt.



Panas yang menembus kaca. Qs = A. I.θ Watt. Dengan : A = luas jendela, m2 I = intensitas radiasi matahari, w/m2 θ = solar gain factor bahan kaca



Solar gain faktor (θ) dapat diperoleh dari pabrik pembuat kaca bersangkutan. Dalam hal ini data θ belum memasukan pertimbangan sudut datang sinar langsung matahari pada bidang kaca, maka I = I cos β .¿ adalah sudut yang dibentuk oleh garis datang sinar matahari dengan garis normal/tegak lurus bidang.



Contoh : Hitunglah panas yang menembus kaca bening selebar (1 m x 2 m), apabila sinar langsung matahari tersebut bersudut 60o dari jendela. Radiasi matahari = 700 w/m2 sudut datang adalah sudut antara garis sinar matahari dan garis tegak lurus dinding, β = 90o – 60o = 30o Hitungan : Sudut datang 30o kaca bening mempunyai θ = 0,7 Panas yang menembus kaca : Qs = A. I.θ watt = 2 x 700 x 0,8 x 0,7 = 784 watt.



Kenaikan suhu benda oleh radiasi matahari Ts = To + (



I . cos β . α ) fo



o



C



Dengan : Ts = suhu permukaan yang terkena sinar matahari langsung, oC To = suhu ruang luar, oC I = intensitas radiasi matahari, w/m2 α = bilangan serap β = sudut datang radiasi matahari, sudut antara garis normal dan garis ke



matahari. fo = konduktan permukaan yang terkena radiasi matahari, w/m 2 oC



Contoh : Luas dinding ( 3 x 6 ) m2 . Radiasi matahari (I) = 900 w/m2 Suhu udara di dalam ruangan (Ti) = 27oC. Suhu udara di luar (To) = 29oC. Dinding luar di cat warna merah bata dengan absorbsi (bilangan serap)α = 0,6. Matahari mengenai dinding dengan sudut datang = 30o Hitunglah : Panas permukaan luar dinding Hitungan : To = 29o C ; α = 0,6 ; fo = 18,9 , w/m2 oC Karena matahari mengenai dinding dengan sudut datang = 30o, maka harus dikalikan dengan cos 30o Ts = To + (



I . cos β . α ) fo



o



C



= 29o + (900)¿ ¿ = (29o) + (24,74)o = 53, 74 oC



Suhu permukaan luar dinding yang terkena sinar langsung matahari Ts = 53,74 oC Dengan demikian panas yang merambat dari sisi luar ke sisi dalam di hitung berdasarkan suhu permukaan yang terkena radiasi matahari : Qc = A. U. ∆ T = 18 x 3,45 x (53,74o – 27o ) = 1660,78 watt. Mengecat dinding luar dengan cat putih yang mempunyai bilangan serap lebih kecil (α = 0,2 ). Dari cat warna merah bata bilangan serap (α = 0,6 ). Akan menyebabkan radiasi yang diserap lebih kecil. Ts = To + (



I . cos β . α ) fo



o



C



= 29o + (900)¿ ¿ = (29o) + (8,25)o = 37, 25 oC Panas yang merambat kesisi dalam dinding : Qc = A. U. ∆ T = 18 x 3,45 x (37,25o – 27o ) = 636,39 watt.



Kecepatan angin di ketinggian tertentu. Vh = Vbl (



h φ ) , m/detik hbl



Dengan : Vh = kecepatan angin di ketinggian h , m/detik Vbl = kecepatan angin di puncak boundary layer, m/detik h = ketinggian ukur, meter. hbl = ketinggian boundary layer, meter φ = eksponen kecepatan angina rata-rata



BOUNDARY LAYER Kategori permukaan tanah 1.



2.



3.



4.



Diskripsi permukaan tanah Laut terbuka, padang es, padang pasir Daerah terbuka, dengan perdu pendek dan pepohonan jarang Daerah pinggiran kota, kota kecil, hutan. Pusat kota dengan bangunan tinggi, daerah perindusrtian



Ketinggian boundary layer 250 meter



Eksponen (φ )



300 meter



0,15



400 meter



0,25



500 meter



0,36



0,11



Contoh : Diketahui kecepatan angin di tempat terbuka (lapangan udara) pada ketinggian 10 meter adalah 10 m/detik. Berapakah kecepatan angin di unit apatermen setinggi 30 meter dari muka tanah yang terletak dipusat kota dengan lapangan udara tadi. Diasumsikan kecepatan angin di atas boundary layer lapangan udara dan pusat kota sama. Jawab : Lapangan udara : φ 1 = 0,15 ; V10 = 10 m/detik ; h1 = 10 m ; hbl1 = 300 m ; Vbl1 = ? Pusat kota : : φ 2 = 0,36 ; h2 = 30 m ; hbl2 = 500 m. V30 = ? Vbl2 = Vbl1 Vh = Vbl (



h φ ) hbl



Vbl1 = Vh / (



h1 φ ) hbl 1 1



= 10 / (10/300)0,15 = 16,7 m/detik Vh2 = Vbl2 (



h2 φ ) hbl 2 2



= 16,7 (30/500)0,36 = 6,07 m/detik.



Aliran udara karena perbedaan tekanan angin Q = Cv. A. V



m3/detik



Dengan : Q = udara yang mengalir melalui jendela, m/detik. Cv = keefektifan bukaan ( 0,5 – 0,60 apabila arah datang angin tegak lurus bukaan, 0,25 – 0,35 apabila arah angin diagonal jendela ) A = luasan effektif jendela (bukaan), m2 V = kecepatan angina, m/detik. Rumus di atas digunakan untuk kondisi lubang masuk (inlet) dan keluar (outlet) sama luasnya. Bila lubang masuk dan keluar tidak sama, maka Cv perlu dikalikan dengan konstanta proporsional. Konstanta penyesuaian proporsi bukaan akibat tekanan angin. Perbandingan luas inlet dan outlet 1:1 1:2 1:3 1:4



Pengali ( Cv )



Perbandingan luas inlet dan outlet



Pengali ( Cv )



1,00 1,27 1,35 1,38



1:5 2:1 4:1 4:3



1,40 0,63 0,35 0,86



Contoh : Hitunglah : 1. Debit udara yang melalui jendela, apabila luas effektif jendela inlet sama dengan outlet. Yaitu : 1,5 m2 2. Debit udara yang melalui jendela, apabila luas jendela inlet 1,5 m2 dan jendela outlet 3 m2 3. Debit udara yang melalui jedela, apabila luas jendela inlet 3 m2 . Dan luas jendela oulet 1,5 m2 Diruang tersebut tidak terdapat partisi yang mengganggu aliran angin. Hitungan : 1. Luas jendela inlet dan oulet sama. Ai = 1,5 m2 ; Ao = 1,5 m2 ; V = 2 m/detik. Cv = 0,55 (diambil nilai rata-rata 0,50 dan 0,60 untuk arah angina datang tegak lurus jendela) Rumus :



Q = Cv. A. V = 0,55 x 1,5 x 2 = 1,65 m3/detik



2. Luas jendela inlet dan oulet tidak sama, Ai < Ao Ai = 1,5 m2 ; Ao = 3 m2 ; V = 2 m/detik Cv = 0,55 (diambil nilai rata-rata 0,50 dan 0,60 untuk arah angina datang tegak lurus jendela) Karena : Ai : Ao = 1,5 : 3 = 1 : 2 , maka nilai Cv harus dikalikan 1,27 , luas jendela yang dipakai dalam rumus adalah luasan yang kecil. Q = Cv. A. V = 0,55 x 1,27 x 1,5 x 2 = 2,0955 m3/detik



3. Luas jendela inlet dan oulet tidak sama, Ai > Ao Ai = 3 m2 ; Ao = 1,5 m2 ; V = 2 m/detik Cv = 0,55 (diambil nilai rata-rata 0,50 dan 0,60 untuk arah angina datang tegak lurus jendela) Karena : Ai : Ao = 3 : 1,5 = 2 : 1 , maka nilai Cv harus dikalikan 0,63 , luas jendela yang dipakai dalam rumus adalah luasan yang kecil. Jadi luas inlet 3 m2 Dipakai 1,5 m2 Q = Cv. A. V = 0,55 x 0,63 x 1,5 x 2 = 1,0395 m3/detik



Aliran udara untuk membuang panas (Q) tanpa memperhatikan volume ruang. H



Q = 60Cp ρ(ti−¿) m3/detik Dengan : Q = udara yang dipindahkan, m3/detik H = Panas yang dipindahkan, W ( w = J/detik ) Cp = panas jenis udara pada pada tekanan konstan, (1025 J/Kg oC) ρ = berat jenis uadar (1,2 Kg/m3 )



ti = suhu udara di dalam ruang, ( oC ) to = suhu udara di luar ruang, ( oC ) Contoh : Hitunglah aliran udara yang diperlukan agar suhu ruang dapat dipertahankan 27 oC. apabila udara luar 25 oC dan di dalam rumah terdapat sumber panas dari 2 orang yang sedang bersantai masing-masing 150 watt, dan 2 lampu yang mengeluarkan panas masing-masing 100 watt. Hitungan : H = ( 2 x 150 w ) + ( 2 x 100 w) = 500 watt ti = 27 o C ; to = 25 o C ; Cp = 1025 J/kg o C. ; ρ = 1,2 Kg/m3 H



Q = 60Cp ρ(ti−¿) 500



500



= 60 (1025 )( 1,2 ) ( 27−25 ) = 147600 = 0,20325 m3/detik Jadi dengan volume aliran udara sebanyak 0,20325 m3/detik sudah cukup untuk mempertahankan suhu ruang tetap.



Aliran udara untuk membuang panas (Q) dengan memperhatikan volume ruang. V.N



Q = 3600 m3/detik Dengan : Q = udara yang dipindahkan, m3/detik H



N = pergantian udara ruang per jam, ( N = 0,33V (ti−¿) ¿ V = volume ruang ( m3 ) H = panas yang dipindahkan , W ( w = J/detik ) ti = suhu udara di dalam ruang, ( oC ) to = suhu udara di luar ruang, ( oC ) Contoh. Hitunglah aliran udara yang diperlukan agar suhu ruang dapat dipertahankan 27 oC. apabila udara luar 25 oC dan di dalam rumah terdapat sumber panas dari 2 orang yang sedang bersantai masing-masing 150 watt, dan 2 lampu yang mengeluarkan panas masing-masing 100 watt. Volume ruang 27 m3 apabila ruang tersebut memiliki jendela di kedua sisi, masing-masing seluas 0,8 m 2 hitunglah kecepatan angin yang melalui jendela tersebut. Hitungan : H = ( 2 x 150 w ) + ( 2 x 100 w) = 500 watt ti = 27 o C ; to = 25 o C ; V = 27 m3 ; A = 0,8 m2 H



N = 0,33V (ti−¿) 500



= 0,33(27)(27−25) = 28,06 V.N



Q = 3600 =



(27)(28,06) = 0,21045 m3/detik 3600



Q



0,21



Kecepatan angin yang melewati jendela V = A = 0,8 = 0,26 meter/detikWalau suhu ruangan dapat dipertahankan untuk tidak naik, kecepatan rendah itu tidak akan terasa pada kulit. Agar terjadi penyejukan fisiologis, diperlukan kecepatan angin 0,5 – 1 meter/detik.



Aliran udara karena perbedaan suhu udara QB = C. A. h ( ti – to )



m3/detik



Dengan : QB = udara yang mengalir melalui bukaan ( m3/detik ) C = konstanta proporsi = 0,121 A = luas bebas bukaan ( m2 ) h = tinggi antara titik tengah bukaan (inlet) dan titik tengah bukaan atas (oulet) ( m ) ti = suhu udara di dalam ruang, ( oC ) to = suhu udara di luar ruang, ( oC ) Contoh : Hitunglah aliran udara yang terjadi oleh perbedaan suhu di atrium, apabila jarak antara jendela bawah (inlet) dan jendela atas (outlet) 10 meter (dihitung dari tengah jendela). Suhu udara dalam ruang 27 oC dan udara luar 25 oC Luas inlet 1 m2 dan luas outlet 2 m2 . Hitungan : ti = 27 o C ; to = 25 o C ; A1 = 1 m2 ; Ao = 2 m2 ; h = 10 m Karena A1 : Ao = 1 : 2, maka C perlu di kalikan 1,27 A luasan bukaan effektif, yang berarti dipilih luasan bukaan yang kecil. QB = C. A. h ( ti – to ) = 0,121 x 1,27 x 1 x 10 x (27 – 25 ) = 3,073 m 3/detikKecepatan 3,1



angin yang melewati jendela bawah V = 1 = 3,1 meter/detik.



Keseimbangan termal didalam bangunan dengan persamaan berikut : Qi + Qs + Qc + Qv + Qm - Qe = 0 Dengan : Qi = panas dari sumber di dalam ruang, ( w ) Qs = panas matahari yang menembus kaca atau melalui jendela, ( w ) Qc = panas dari luar yang menembus dinding, ( w ) Qv = panas dari udara luar, ( w ) Qm = panas yang harus diangkut oleh mesin oleh penyejuk udara, ( w ) Qe = pengurangan panas karena penguapan, ( w ) Bila hasilnya + berarti ruangan akan panas Bila hasilnya – berarti ruangan akan dingin Untuk daerah tropis, keseimbangan termal menjadi : Qi + Qs + Qc + Qv - Qm = 0 Dan untuk memperkirakan beban penyejuk udara, adalah : Qm = Qi + Qs + Qc + Qv Qi = ∑ panas ( manusia, peralatan rumah tangga) Qs = A. I. θ Dengan : A = luas jendela, ( m2 ) I = intensitas radiasi matahari , ( w/m2) θ=¿ solar gain factor bahan kaca



Qc = A. U. ∆ T Dengan : A = luas elemen, m2 U = nilai transmitan, w/m2 oC



∆ T = perbedaan suhu permukaan luar dan permukaan dalam, oC.



Qv = 1300. V. ∆ T Dengan : 1300 = panas jenis udara, J/m3.oC V = kecepatan ventilasi, m3/s ∆ T = perbedaan suhu, o C



Ts = To + (



I . cos β . α ) fo



o



C



Dengan : Ts = suhu permukaan yang terkena sinar matahari langsung, oC To = suhu ruang luar, oC I = intensitas radiasi matahari, w/m2 α = bilangan serap β = sudut datang radiasi matahari, sudut antara garis normal dan garis



ke matahari fo = konduktan permukaan yang terkena radiasi matahari, w/m 2 oC Contoh : Sebuah ruang kantor berukuran lebar = 5 meter, panjang = 5 meter, dan tinggi = 2,5 meter, akan dilengkapi dengan AC tipe split. Dinding utara berhubungan langsung dengan ruang luar, terdiri atas dinding batu bata setebal = 114 mm. yang diplester di kedua sisinya ( U dinding = 3,24 w/m 2 oC α = 0,86 ), di cat warna kuning medium (α = 0,58).



Bagian dinding bata merah berukuran lebar = 5 meter dan tinggi = 1 meter, diatas dinding bata merah ada jendela kaca berukuran lebar = 5 meter dan tinggi = 1,5 meter. ( U kaca = 4,48 w/m2 oC ), sudut datang matahari pada dinding dan kaca, β=¿ 60 o , mempunyai θ = 0,75. Radiasi matahari rata-rata (I) = 600 w/m2 . Transmitan lapisan udara luar (fo) = 10 w/m2 oC , panas jenis udara = 1300 J/m3.oC



Ventilasi = 3 ACH (Air Change per Hour), pergatian udara per-jam. Suhu di dalam bangunan (Ti) diusahakan tetap 24 oC , suhu ruang luar (To) diukur = 30 oC , bangunan berisi 6 orang tenaga administrasi setiap orang di perkirakan mengeluarkan panas = 140 watt. dengan memakai 4 lampu setiap lampu diperkirakan mengeluarkan panas 100 wsatt. Hitunglah : beban penyejuk yang diperlukan ? Hitungan :



Q m = Q i + Q s + Qc + Q v ∆ T kaca = To - Ti



= 30 o - 24 o = 6 o C. Nilai serapan dinding luar adalah rata-rata dari nilai serapan batu bata diplester dan di cat. α = 0,5 (α



dinding



+α



cat



)



= 0,5 ( 0,86 + 0,58 ) = 0,72 Suhu permukaan luar dinding, Ts = To + (



I . cos β . α ) fo



= 30 o + {



o



C



( 600 ) . ( 0,5 ) .(0,72) } 10



= 30 o + 21,6 o = 51,6 o C maka, ∆ T dinding = 51,6 o – 24 o Qi = ∑ panas ( manusia, peralatan rumah tangga) = panas lampu + panas manusia = 4 x 100 + 6 x 140 = 400 + 840 = 1240 watt. Qs = panas matahari yang menembus kaca = Akaca . I. θ = 5 x 1,5 x 600 x 0,75 = 3375 watt.



Qc = panas melalui dinding + panas melalui kaca = A dinding x U dinding x ∆ T + A kaca x U kaca X ∆ T = 5 x 1 x 3,24 x 27,6 + 5 x 1,5 x 4,48 x 6 = 447,12 + 201,6 = 648,72 watt. Qv = panas karena ventilasi = 1300 . V. ∆ T = 1300 x 0,052 x 6 = 405,6 watt Q m = Q i + Q s + Qc + Q v = 1240 watt + 3375 watt + 648,72 watt + 405,6 watt = 5669,32 watt



5,67 kw (beban penyejukan /



pendinginan Bilangan : 0,052 diperoleh dari ( volume ruang x ACH / 3600 detik) (



5 x 5 x 2,5 x 3 = 0,052). 3600