fisika bangunan

KATA PENGANTAR

Rasa syukur yang tak terhingga Kami panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan Kami kesempatan sehingga Kami dapat mengerjakan tugas yang di amanahkan kepada kami dengan baik ( InsyaAllah).

Shalat dan Salam Kami persembahkan kepada junjungan alam Nabi Besar Muhammad SAW yang mana tanpa beliau Kami tidak akan pernah merasakan nikmatnya ilmu dan mengarungi lautannya adalah sebuah anugrah yang tak terhingga.

Terimakasih yang tak terhingga juga Kami ucapkan kepada Dosen pembimbing Kami, yang tanpa lelah terus memberikan deraian ilmu kepada Kami serta dengan setia membimbing dan mengarahkan kami dalam mendapatkan ilmu.

Semoga makalah  ini dapat memberikan sedikit pengetahuan ilmu tentang “ passive cooling”. Dan khususnya bagi arsitek-arsitek muda yang sedang meniti ilmu, para arsitek dapat kembali melihat bagaimana hebatnya bangunan-bangunan modern.

BAB I

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Sejak dahulu terutama sebelum penemuan AC, teknik pendinginan pasif sudah banyak dikembangkan dan dipakai. Sebagai contoh adalah windcatcher atau penangkap angin diadopsi untuk rumah Joglo. Namun seiring berjalannya waktu teknik pendinginan pasif banyak ditinggalkan terutama dikota besar karena alasan keamanan dan kualitas udara yang buruk. Untuk itu, pendinginan pasif yang dibahas adalah “teknik yang realistis dipakai saat ini saja”.

Secara arsitektur pendinginan pasif ini lebih kearah mengurangi intensitas kalor yang masuk ke ruangan. Teknik arsitektur ini antara lain membuat overhang pada jendela kaca, pemilihan material dinding dan atap. Overhang berfungsi menghalau kalor radiasi berlebihan dari sinar matahari namun membiarkan pantulan sinar diffus dari overhang masuk ke jendela. Hasil dari penambahan overhang ini adalah pencahayaan alami yang terjamin namun kalor tidak ikut masuk karena sebagian besar diserap overhang. Untuk memaksimalkan fungsi overhang disarankan memilih kaca dengan lapisan anti sinar UV dan tirai horisontal agar cahaya matahari dapat dikendalikan namun kalor tidak ikut masuk.

BAB II

PEMBAHASAN

B.     Passive Cooling

Istilah "pasif" menyiratkan bahwa energi memakan komponen mekanis seperti pompa dan fans tidak digunakan. Pendinginan desain bangunan pasif mencoba untuk mengintegrasikan prinsip-prinsip fisika ke dalam amplop eksterior bangunan untuk:

Lambat perpindahan panas ke dalam gedung. Ini melibatkan pemahaman tentang mekanisme perpindahan panas:

·         konduksi panas.

·         perpindahan panas konveksi.

·         dan radiasi termal (terutama dari matahari).

Menghilangkan panas yang tidak diinginkan dari sebuah gedung. Metode yang paling efektif untuk mengurangi penggunaan energi untuk pendinginan mekanik (AC) adalah untuk menghilangkan kebutuhan untuk itu adaptasi sebuah desain terhadap iklim setempat.

Shading bangunan dari radiasi matahari dapat dicapai dengan berbagai cara.
Bangunan dapat berorientasi untuk mengambil keuntungan dari matahari musim dingin (lagi dalam dimensi Timur / Barat), sedangkan shading dinding dan jendela dari matahari musim panas langsung.

Hal penting yang diperhatikan adalah :

v  Iklim

v  Jenis Bangunan

v  Pola Operasi Bangunan (intensitas penggunaan).

Berikut ini adalah strategi-strategi desain yang dapat diterapkan guna memaksimalkan penghawaan alami, meminimalkan penggunaan pendingin mekanik (AC):

1.      VENTILASI SILANG (CROSS VENTILATION)

Sistem ini meletakkan bukaan pada arah yang berhadapan, sehingga terjadi pertukaran udara dari dalam keluar bangunan. Efektivitas tercapai dari ukuran bukaan (inlet-outlet), hasilnya adalah adanya peningkatan kecepatan udara dan turunnya suhu ruangan. 

Kunci permasalahan:

Ventilasi silang yang sukses membutuhkan sebuah bentuk bangunan yang memaksimalkan eksposur ke arah angin yang berlaku, menyediakan untuk inlet yang memadai daerah, penghalang internal yang minimal (antara inlet dan outlet), dan menyediakan untuk area outlet yang memadai. Pertimbangan peletakan bukaan memperhatikan juga sumber kebisingan.

 Prosedur Desain:

a.  Pengaturan peletakan bukaan (inlet-outlet) dalam ruangan, sumber panas terbesar dalam ruang   harus didekatkan dengan outlet.

b. Memperkirakan beban pendingin untuk ruangan (heat gain for space).

c.  Memperhatikan beban pendinginan pada tiap lantai.

d. Menentukan besarnya daerah inlet , dibebaskan dari serangga, adanya pemberianshading.

e.  Tentukan daerah inlet sebagai persentase dari luas lantai.

f.  Meletakkan arah-arah inlet-outlet pada persimpangan yang tepat, sesuai dengan kecepatan pergerakan udara.

g. Membandingkan kapasitas dengan kebutuhan.

h. Memperbesar dan memperkecil ukuran inlet guna menyesuaikan dengan kebutuhan pendinginan dalam ruang.

2.      VENTILASI PASIF (STACK VENTILATION)

Sistem ini menggunakan strategi pendinginan pasif yang mengambil keuntungan stratifikasi suhu.

Prinsip penting adalah :

a.       Udara panas akan naik keatas.

b.      Lingkungan-pertukaran udara.

Untuk mengefektifkannya (yaitu menghasilkan aliran udara yang besar), perbedaan antara suhu udara ambien indoor dan outdoor harus setidaknya 3 ° F [1,7 ° C]. Perbedaan suhu yang lebih besar dapat menyediakan lebih sirkulasi udara yang efektif dan pendinginan. Salah satu cara untuk mencapai perbedaan suhu lebih besar adalah untuk

meningkatkan ketinggian tumpukan tumpukan-semakin tinggi, semakin besa stratifikasi vertikal 

suhu.

 

Kunci Permasalahan:

Stack perlu menghasilkan perbedaan suhu yang besar antara udara keluar dan udara masuk. Tumpukan cenderung zona "blur" termal, mendukung ruang yang lebih rendah pada ventilasi  rantai "-dengan kata lain, memberikan pergerakan udara lebih (ventilasi) pada tingkat yang lebih rendah dari tumpukan stack.

Prosedur Desain:

a.           Meninggikan bangunan, diberi ventilasi pada bagian atas bangunan(2 kali puncak tertinggi bangunan).

b.      Menentukan ukuran bukaan stack yang tepat pada area bawah dan atas, inlet-outlet.

c.       Menentukan ukuran bukaan sesuaikan dengan kebuhan ruang, lihat pada grafik.

3. EVAPORATIVE COOL TOWERS

Sistem ini menggunakan asas langsung evaporatif pendinginan dan downdraft untuk pasif mendinginkan udara luar panas kering dan bersirkulasi melalui sebuah bangunan. Udara kering panas terkena air di puncak menara. Seperti air menguap ke udara di dalam menara, suhu udara turun dan isi kelembaban meningkat udara; udara lebih padat yang dihasilkan tetes menuruni menara dan keluar dari pembukaan di pangkalan.

Secara teoritis udara yang muncul dari proses penguapan akan memiliki suhu bola kering sama dengan suhu wet bulb. Dalam aplikasi praktis hasil proses dalam suatu bola kering suhu yang adalah sekitar 20 sampai 40% lebih tinggi dari wet bulb (Givoni 1994). Evaporative kinerja menara adalah tergantung pada wet bulb depresi (perbedaan antara suhu bola kering dan basah udara).

Semakin besar depresi wet bulb semakin besar potensi perbedaan antara suhu udara ambien di luar ruangan dan suhu dari udara dingin keluar menara. Tingkat aliran udara dari dasar menara dingin tergantung pada depresi dan wet bulb desain menara-khususnya ketinggian menara dan daerah bantalan dibasahi di puncak menara.

Secara teoritis udara yang muncul dari proses penguapan akan memiliki suhu bola kering sama dengan suhu wet bulb. Dalam aplikasi praktis hasil proses dalam suatu bola kering suhu yang adalah sekitar 20 sampai 40% lebih tinggi dari wet bulb (Givoni 1994). Evaporative kinerja menara adalah tergantung pada wet bulb depresi (perbedaan antara suhu bola kering dan basah udara). Semakin besar depresi wet bulb semakin besar potensi perbedaan antara suhu udara ambien di luar ruangan dan suhu dari udara dingin keluar menara. Tingkat aliran udara dari dasar menara dingin tergantung pada depresi dan wet bulb desain menara-khususnya ketinggian menara dan daerah bantalan dibasahi di puncak menara.

Kunci Permasalahan:

Menara evaporative bekerja efektif dengan rencana lantai terbuka yang memungkinkan pendinginan udara beredar di seluruh interior tanpa terhambat oleh dinding atau partisi. Menara dingin tidak mengandalkan angin untuk sirkulasi udara dan membutuhkan masukan energi minimal. Menara ini memang mengharuskan bahwa bantalan menguapkan akan terus disimpan basah dan meningkatkan relatif kelembaban udara ambien. Menara juga melibatkan aliran udara yang cukup besar volume- nya.

Prosedur Desain :

a.       Membangun kondisi desain.

b.      Cari suhu udara keluar perkiraan untuk menentukan kelayakan.

c.       Menentukan tingkat aliran udara yang diperlukan.

Tentukan jumlah aliran udara keluar (pada suhu bola kering meninggalkan) yang diperlukan untuk mengimbangi beban pendinginan ruang / bangunan yang masuk akal.

4.      NIGHT VENTILATION OF THERMAL MASS

Sistem ini mengambil keuntungan dari sifat kapasitif bahan besar untuk mempertahankan kenyamanan suhu ruang.  Massa bahan suhu udara moderat, mengurangi ayunan ekstrim bolak suhu panas dan dingin. Pada siang hari, saat suhu hangat dan radiasi matahari dan
beban internal yang bertindak untuk meningkatkan suhu interior, massa bangunan menyerap dan menyimpan panas. Pada malam hari, saat suhu udara luar yang dingin, udara luar disirkulasikan melalui panas bangunan.Udara panas yang diserap selama siang hari dilepaskan dari massa udara dingin ke beredar melalui ruang dan luar ruangan kemudian dibuang. Siklus ini memungkinkan massa untuk melepaskan, memperbaharui potensi untuk menyerap lebih panas hari berikutnya. Selama bulan-bulan dingin massa yang sama dapat digunakan untuk membantu memberikan udara panas secara pasif.

Keberhasilan dari strategi ini sangat bergantung pada iklim setempat.

Perbedaan suhu harus besar (sekitar 20° F [11° C]). Tinggi suhu siang hari (dan / atau matahari beban dan keuntungan panas internal) menghasilkan beban pendinginan. Suhu malam hari rendah dapat menyediakan panas yang tenggelam (sumber coolth). Massa termal menghubungkan dua kondisi sepanjang waktu.

Karena strategi ini bergantung pada aliran udara luar yang luas, seluruh bangunan, penataan ruang bangunan penting untuk yang kebaikan desain yang diinginkan, terutama pada ventilasi alami yang akan memberikan airflow (aliran udara).

Prosedur Desain :

a.       Menentukan potensi ventilasi malam massa termal untuk diberikan lokasi.

b.      Memperoleh data iklim dan menghitung udara dalam ruangan serendah mungkin suhu. Cari udara musim panas desain bola tertinggi kering  suhu (DBT), kisaran rata-rata suhu harian untuk lokasi proyek, dan menghitung suhu terendah DB.

c.       Perkiraan suhu terendah massa.

d.      Hitung kapasitas penyimpanan massa termal.

e.      Tentukan persentase dari panas yang tersimpan yang dapat dihapus pada malam hari.

f.        Menentukan tingkat ventilasi yang diperlukan untuk mendinginkan termal massa termal pada malam hari.

g.       Bandingkan persyaratan ventilasi dengan kebutuhan desain lainnya.

s

5.      EARTH COOLING TUBES(COOL TUBES)

Merupakan sistem tabung pendingin ini digunakan untuk mendinginkan ruang  dengan membawa udara luar ke dalam ruang interior melalui pipa bawah tanah atau tabung udara. Efek pendinginan tergantung pada keberadaan perbedaan suhu antara udara luar dan tanah di kedalaman tabung.

Manfaat menggunakan tabung pendinginan bumi ini yaitu tahan lama, kuat, tahan terhadap korosi, dan efektif biaya, menggunakan bahan seperti aluminium dan plastik.

Ukuran dari tabung mempertimbangkan hal-hal berikut ini:

a.       kondisi tanah setempat,

b.      kelembaban tanah,

c.       tinggi tabung,

d.      faktor lingkungan sekitar.

Untuk mengoptimalkan kinerja pendinginan tabung harus dikubur setidaknya 6 ft [1,8 m] dalam. Bila mungkin tabung harus ditempatkan dalam teduh lokasi.

Prosedur Desain

a.       Menentukan suhu panas pada musim panas

b.      Menentukan karakteristik kelembaban tanah

c.       Perkiraan beban pendinginan untuk instalasi tabung bumi

d.      Menentukan panjang tabung bumi yang diperlukan

6.      EARTH SHELTERING

Sistem ini meletakkan bangunan di bawah tanah, pada dasarnya adalah implementasi pasif dari prinsip tanah yang  mendasari sumber pompa panas, dalam tanah menyediakan lingkungan hangat di musim dingin dan lingkungan yang dingin di musim panas, jika dibandingkan dengan atmosfer lingkungan di atas tanah.

Hal yang perlu diperhatikan adalah sistem struktur, waterproofing, dan sistem insulasi pada desain.

Selain mengurangi suhu ekstrem, penutup tanah juga dapat menghasilkan waktu yang cukup lama tertinggal pengalihan suhu terendah dari pertengahan musim dingin dan ke musim semi dan tertinggi suhu keluar dari musim panas dan musim gugur. Sistem ini mampu untuk menahan api dan angin kencang.

Manfaatnya yaitu mampu menghemat energi pendingin dan pemanas ruang, karena mampu menstabilkan suhu dalam ruang, kemudian karena letak bangunan yang terselubung, maka mampu menahan adanya kebisingan dari area luar bangunan.

Prosedur Desain

a.       Menganalisa situs, mempertimbangkan drainase alam, adanya vegetasi, akses matahari, pola aliran angin, mikro, dan kondisi di bawah permukaan.

b.      Pilih sistem structural

c.       Pilih sistem waterproofing yang sesuai

d.      Perhitungan yang tepat, mengenai luas bagian bangunan yang tertutupi oleh tanah

e.       Menggunakan sistem penghijauan di dalam dan di luar bangunan yang tepat

7.      ABSORPTION CHILLERS

Sistem ini tidak menggunakan energi listrik dalam jumlah berlebih, tenaga yang digunakan bisa dari air panas maupun uap panas. Air mengalir melalui proses empat tahap, yaitu penguapan, kondensasi, penguapan, penyerapan panas yang bergerak sebagai bagian integral dari lithium bromide process.

Menara pendingin yang digunakan dengan pendingin serapan cenderung lebih besar dari yang digunakan dengan sistem kapasitas sebanding uap kompresi. Ruang eksternal untuk menara pendingin harus dipertimbangkan selama skematik desain. Sebuah kualitas sumber air, seperti danau atau baik, dapat digunakan sebagai pengganti menara sebagai penyerap untuk energi.

Prosedur Desain

a.       Menentukan area mana yang akan didinginkan

b.      Memperhitungkan beban pendingin yang di perlukan

c.       Memperhatikan persyaratan ruang chiller

d.      Menetukan area mekanik untuk mengadakan absorbtion chiller

Dua perbedaan suhu yang lebih kecil menghasilkan perpindahan panas yang jauh lebih rendah dari satu perbedaan suhu yang besar.

Kualitas jendela-dan-pintu fenestration dapat memiliki dampak yang signifikan pada tingkat perpindahan panas (dan oleh karena itu pada pemanasan dan pendinginan persyaratan). Sebuah pintu kayu solid tanpa jendela melakukan panas sekitar dua belas kali lebih cepat dari pintu bintang busa penuh energi. Fenestration lebih tua, dan lebih rendah kualitas pintu dan jendela dapat bocor banyak infiltrasi udara luar, perilaku dan memancarkan banyak perpindahan panas yang tidak diinginkan melalui selubung luar bangunan, yang dapat menjelaskan sebagian besar dari pemanasan dan pendinginan tagihan energi. atap-siku kaca bukanlah pilihan yang bagus di setiap bangunan di iklim apapun. Pada musim panas, itu menciptakan tungku surya, dengan matahari hampir tegak lurus. untuk itu, Pada hari-hari musim dingin, sudut rendah matahari sebagian besar mencerminkan off dari atap-siku kaca. Udara hangat naik sebesar konveksi alami, menyentuh kaca atap miring, dan kemudian  melakukan dan memancarkan panas di luar. Vertikal  khatulistiwa menghadap kaca jauh lebih unggul untuk mendapatkan solar, memblokir musim panas, dan pencahayaan seluruh bangunan yang dirancang dengan baik surya pasif.

Awning, layar warna, teralis atau tanaman memanjat dapat dipasang ke bangunan yang ada untuk efek yang sama. Barat-menghadap kamar sangat rentan terhadap overheating karena matahari sore rendah menembus lebih dalam ke kamar selama bagian terpanas dari hari. Metode shading terhadap rendahnya Timur dan Barat matahari gugur tanam dan jendela vertikal atau tirai. Barat-menghadap jendela harus diminimalkan atau dihilangkan dalam desain surya pasif.
Panas matahari juga memasuki gedung melalui dinding dan atap. Di daerah beriklim sedang, bangunan buruk terisolasi dapat menjadi terlalu panas di musim panas dan akan memerlukan pemanasan lebih di musim dingin.

Salah satu tanda dari desain termal miskin adalah loteng yang mendapat panas dari suhu puncak musim panas udara luar. Hal ini dapat secara signifikan dikurangi atau dihilangkan dengan atap dingin atau atap hijau, yang dapat mengurangi suhu permukaan atap oleh 70 derajat F (21 derajat C) di musim panas. Di bawah atap harus ada penghalang bersinar dan celah udara, yang menghambat 97% dari radiasi ke bawah dari matahari.

Dari tiga mekanisme perpindahan panas (konduksi, konveksi dan radiasi), radiasi adalah salah satu yang paling signifikan dalam iklim yang paling, dan merupakan paling mudah untuk model. Ada hubungan linear antara perbedaan suhu dan konduktif / konvektif tingkat perpindahan panas. Namun, radiasi adalah hubungan eksponensial, yang jauh lebih signifikan ketika perbedaan suhu besar (musim panas atau musim dingin).

Tingkat perpindahan panas (yang berhubungan dengan pemanasan-dan-pendinginan persyaratan) sebagian ditentukan oleh luas permukaan bangunan. Sudut dekoratif bisa dua atau tiga area eksterior amplop permukaan, dan juga menciptakan lebih banyak kesempatan untuk kebocoran infiltrasi udara.

Dalam iklim kering ringan dengan nyaman malam kering dingin, dua jenis ventilasi alami dapat dicapai melalui desain hati-hati: ventilasi silang dan pasif-tumpukan ventilasi.
Ventilasi silang membutuhkan bukaan pada dua sisi ruang.

Pasif-tumpukan ventilasi menggunakan ruang vertikal, seperti menara, yang menciptakan vakum sebagai naik udara dengan konveksi alami. Sebuah inlet untuk udara dingin di bagian bawah ruang ini menciptakan arus udara ke atas bergerak.

Alergen seperti serbuk sari dapat menjadi masalah ketika windows digunakan untuk ventilasi udara segar. Apa pun yang menciptakan perbedaan tekanan udara (seperti pengering pakaian eksternal vent, dapur perapian, dan ventilasi kamar mandi) akan menggambar tanpa filter udara luar melalui setiap kebocoran udara kecil di sebuah bangunan. Sebagai alternatif, udara dapat disaring melalui Nilai Pelaporan Efisiensi Minimum Merv 8 + filter udara untuk menghilangkan alergen.

Audit energi menggunakan exhaust fan dikalibrasi untuk mengukur dan menemukan kurang-weatherization udara infiltrasi kebocoran menyebabkan oleh konstruksi konvensional ceroboh.
       Dalam iklim lembab panas dengan malam yang nyaman, ventilasi udara segar dapat dikendalikan, disaring, dehumidified, dan didinginkan (mungkin menggunakan penukar udara). Sebuah AC surya dapat digunakan untuk mendinginkan dan dehumidify udara lembab panas. ASHRAE, masyarakat internasional HVAC insinyur, merekomendasikan perubahan udara minimal 0,35 / jam DAN 15 CFM udara segar untuk setiap orang di sebuah ruangan (sepanjang tahun terlepas dari kondisi luar). Karbon dioksida monitor dapat digunakan untuk meningkatkan asupan udara segar di tinggi-hunian kamar saat udara menjadi tidak sehat.
Dalam iklim yang dingin di malam hari dan terlalu hangat pada hari, massa termal dapat ditempatkan secara strategis dan terisolasi untuk memperlambat pemanasan bangunan ketika matahari sedang terik. Fase perubahan materialscan dirancang untuk mengekstrak panas yang tidak diinginkan pada siang hari, dan melepaskannya di malam hari.

BAB III

PENUTUP

C.    Kesimpulan

Istilah "pasif" menyiratkan bahwa energi memakan komponen mekanis seperti pompa dan fans tidak digunakan. Pendinginan desain bangunan pasif mencoba untuk mengintegrasikan prinsip-prinsip fisika ke dalam amplop eksterior bangunan untuk:

- Mekanisme perpindahan panas:

·      konduksi panas.

·      perpindahan panas konveksi.

·      dan radiasi termal (terutama dari matahari).

-Prosedur Desain

a.         Menganalisa situs, mempertimbangkan drainase alam, adanya vegetasi, akses matahari, pola aliran angin, mikro, dan kondisi di bawah permukaan.

b.        Pilih sistem structural

c.         Pilih sistem waterproofing yang sesuai

d.        Perhitungan yang tepat, mengenai luas bagian bangunan yang tertutupi oleh tanah

e.         Menggunakan sistem penghijauan di dalam dan di luar bangunan yang tepat

Saran :

 Semoga makalah  ini dapat memberikan sedikit pengetahuan ilmu tentang “ passive cooling”. Dan khususnya bagi arsitek-arsitek muda yang sedang meniti ilmu, para arsitek dapat kembali melihat bagaimana hebatnya bangunan-bangunan modern.