Analisis CFD Penempatan Air Conditioning Unit pada KRD Ekonomi ...
7
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 KE-66 Analisis CFD Penempatan Air Conditioning Unit pada KRD Ekonomi Bandung Raya Wira Nugroho 1, a dan Nathanael P. Tandian 1, b * 1 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung-40132, INDONESIA a [email protected], b [email protected] *Penulis kontak penanggung jawab Abstrak Dalam usaha peningkatan layanannya, PT Kereta Api Indonesia - Daerah Operasi 2 (PT KAI Daop 2) antara lain memasang AC split pada unit kereta ekonomi Kereta Rel Diesel (KRD) Bandung Raya. Jenis AC split yang digunakan adalah AC split statik yang biasa digunakan untuk ruang bangunan. Penempatan unit AC split ini sangat penting karena menentukan kualitas pendinginan. Dalam makalah ini dilakukan analisis CFD yang membandingkan empat opsi penempatan unit AC split di dalam ruang kereta KRD Bandung Raya. Keempat konfigurasi unit AC yang disimulasikan adalah: konfigurasi-1 dengan susunan 3 pasang unit AC bertolak belakang yang dipasang melintang di sepanjang lorong kereta, konfigurasi-2 dengan susunan 3 unit AC berjajar pada masing-masing dinding kiri dan kanan kereta, konfigurasi-3 dengan jajaran 6 unit AC yang dipasang melintang di sepanjang lorong kereta, dan konfigurasi-4 yang mirip dengan konfigurasi-1. Perbedaan antara konfigurasi-1 dan 4 adalah pada jarak antar-pasangan unit AC, yaitu 4,5 m pada konfigurasi-1 dan 5 m pada konfigurasi-4. Dari perhitungan terdahulu, beban pendinginan maksimum tiap unit kereta 17,2 kW sehingga setiap unit kereta dapat dilayani oleh 6 AC split 1 TR (3,52 kW). Hasil simulasi CFD menunjukkan konfigurasi-4 memberikan hasil terbaik dengan temperatur ruang yang merata dan tidak memiliki daerah bertemperatur ekstrim. Kata kunci: Penempatan AC, kereta api, CFD, AC split, refrigerasi Pendahuluan Saat ini, bidang transportasi sudah tidak bisa dilepaskan dari kebutuhan hidup manusia sehari-hari. Pentingnya transportasi secara tidak langsung berpengaruh pada pembangunan nasional karena fungsinya sebagai katalisator pertumbuhan ekonomi, pengembangan wilayah dan pemersatu bangsa.[1] Kereta api merupakan salah satu moda transportasi darat yang penting dalam mendukung aliran perpindahan manusia, barang dan jasa. Selain kapasitas angkut yang besar dalam mengurangi beban pengguna jalan, kereta api juga memiliki tingkat konsumsi bahan bakar paling efisien.[2] Dalam usaha peningkatan layanannya, pada tahun 2012 PT KAI bekerja sama dengan PT INKA memodifikasi ruang kereta penumpang kelas bisnis dan ekonomi dengan menambahkan AC split statik supaya dapat memenuhi kenyamanan termal penumpang. Hal ini sejalan dengan penelitian yang menyatakan bahwa faktor kenyamanan lah yang berperan penting dalam menjaga dan menarik konsumen pengguna jasa kereta api.[3] Dari hasil observasi, penempatan unit AC split pada kereta penumpang tidak memiliki standar khusus. Sementara itu hasil studi menyatakan bahwa penempatan posisi unit AC split berpengaruh pada kualitas pendinginan[4]. Oleh karenanya, optimisasi penempatan unit AC split pada kereta penumpang diperlukan supaya dapat diketahui penempatan yang paling optimal. Pada kasus ini bahasan makalah ini, model kereta penumpang yang dipilih adalah kereta komuter Kereta Api Lokal Ekonomi Bandung Raya / KRD Bandung Raya relasi Padalarang – Cicalengka. Dalam makalah ini dibahas empat konfigurasi penempatan AC split yang berbeda dalam kabin KRD Bandung Raya.
Transcript of Analisis CFD Penempatan Air Conditioning Unit pada KRD Ekonomi ...
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
Analisis CFD Penempatan Air Conditioning Unitpada KRD Ekonomi Bandung Raya
Wira Nugroho 1, a dan Nathanael P. Tandian 1, b *
1Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung-40132, INDONESIAa [email protected], b [email protected]
*Penulis kontak penanggung jawab
AbstrakDalam usaha peningkatan layanannya, PT Kereta Api Indonesia - Daerah Operasi 2 (PT KAI Daop2) antara lain memasang AC split pada unit kereta ekonomi Kereta Rel Diesel (KRD) BandungRaya. Jenis AC split yang digunakan adalah AC split statik yang biasa digunakan untuk ruangbangunan. Penempatan unit AC split ini sangat penting karena menentukan kualitas pendinginan.Dalam makalah ini dilakukan analisis CFD yang membandingkan empat opsi penempatan unit ACsplit di dalam ruang kereta KRD Bandung Raya. Keempat konfigurasi unit AC yang disimulasikanadalah: konfigurasi-1 dengan susunan 3 pasang unit AC bertolak belakang yang dipasang melintangdi sepanjang lorong kereta, konfigurasi-2 dengan susunan 3 unit AC berjajar pada masing-masingdinding kiri dan kanan kereta, konfigurasi-3 dengan jajaran 6 unit AC yang dipasang melintang disepanjang lorong kereta, dan konfigurasi-4 yang mirip dengan konfigurasi-1. Perbedaan antarakonfigurasi-1 dan 4 adalah pada jarak antar-pasangan unit AC, yaitu 4,5 m pada konfigurasi-1 dan 5m pada konfigurasi-4. Dari perhitungan terdahulu, beban pendinginan maksimum tiap unit kereta17,2 kW sehingga setiap unit kereta dapat dilayani oleh 6 AC split 1 TR (3,52 kW). Hasil simulasiCFD menunjukkan konfigurasi-4 memberikan hasil terbaik dengan temperatur ruang yang meratadan tidak memiliki daerah bertemperatur ekstrim.
Kata kunci: Penempatan AC, kereta api, CFD, AC split, refrigerasi
Pendahuluan
Saat ini, bidang transportasi sudah tidakbisa dilepaskan dari kebutuhan hidup manusiasehari-hari. Pentingnya transportasi secaratidak langsung berpengaruh padapembangunan nasional karena fungsinyasebagai katalisator pertumbuhan ekonomi,pengembangan wilayah dan pemersatubangsa.[1] Kereta api merupakan salah satumoda transportasi darat yang penting dalammendukung aliran perpindahan manusia,barang dan jasa. Selain kapasitas angkut yangbesar dalam mengurangi beban penggunajalan, kereta api juga memiliki tingkatkonsumsi bahan bakar paling efisien.[2]
Dalam usaha peningkatan layanannya,pada tahun 2012 PT KAI bekerja samadengan PT INKA memodifikasi ruang keretapenumpang kelas bisnis dan ekonomi denganmenambahkan AC split statik supaya dapatmemenuhi kenyamanan termal penumpang.
Hal ini sejalan dengan penelitian yangmenyatakan bahwa faktor kenyamanan lahyang berperan penting dalam menjaga danmenarik konsumen pengguna jasa keretaapi.[3]
Dari hasil observasi, penempatan unit ACsplit pada kereta penumpang tidak memilikistandar khusus. Sementara itu hasil studimenyatakan bahwa penempatan posisi unitAC split berpengaruh pada kualitaspendinginan[4]. Oleh karenanya, optimisasipenempatan unit AC split pada keretapenumpang diperlukan supaya dapat diketahuipenempatan yang paling optimal. Pada kasusini bahasan makalah ini, model keretapenumpang yang dipilih adalah keretakomuter Kereta Api Lokal Ekonomi BandungRaya / KRD Bandung Raya relasi Padalarang– Cicalengka. Dalam makalah ini dibahasempat konfigurasi penempatan AC split yangberbeda dalam kabin KRD Bandung Raya.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
Tujuan penelitian dalam makalah iniadalah menentukan konfigurasi penempatanAC split yang terbaik dengan memanfaatkanmetode Computational Fluid Dynamic (CFD).Hasil analisis CFD dapat menunjukkansebaran temperatur pada ruangan kereta,sehingga dapat digunakan untuk melakukanpemilihan konfigurasi yang paling baik.
Metodologi
Model geometri. Model dasar geometrikereta penumpang yang digunakan padasimulasi diperlihat pada Gambar 1. Modeldasar geometri ini diolah lebih lanjut (denganproses meshing dan zoning) sebelumdigunakan dalam paket CFD.
Gambar 3 Model geometri kereta
Melalui proses meshing volume goemetridibagi menjadi banyak elemen-elemen kecildengan batasan parameter skewness elemen dibawah 0,9. Model geometri yang telahmengalami proses meshing diperlihatkan padaGambar 2.
Gambar 4 Model setelah proses meshing
Parameter kenyamanan termal. Dalam
makalah ini ada dua parameter kenyaman
termal, yaitu temperatur ruangan dan
kecepatan udara. Temperatur ruangan
dirancang dengan mengacu pada panduan dari
Lembaga Penyelidikan Masalah Bangunan
(LPMB-PU) seperti yang ditunjukkan Tabel
1.
Tabel 1 Standar temperatur ruangan[5]
Sesuai Tabel 1, rentang temperaturkenyamanan optimal berada pada kisaran22,80C – 280C. Sementara itu, kecepatanudara dirancang dengan mengacu padakriteria kecepatan udara terkait kenyamananmanusia yang dianjurkan oleh Lippsmeier,kecepatan udara di bawah 1 m/s.[6]
Kondisi operasi. Kondisi operasi yangdigunakan dalam simulasi meliputi kondisilingkungan wilayah di Kota Bandung denganposisi geografi 100 Lintang Selatan. Kondisioperasi yang disimulasikan adalah kondisioperasi yang terburuk (beban pendinginterberat). Dalam hal ini, temperatur udara luaryang digunakan pada simulasi adalah
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
temperatur yang maksimal, yaitu di bulanOktober pukul 15.00. Terkait dengan kondisieksposur matahari, diasumsikan dindingkanan dan kiri kereta api menghadap ke arahutara dan selatan secara tegak lurus. Disamping itu, kereta diasumsikan dalamkeadaan diam (kondisi kecepatan angindianggap 0 m/s) dan terpapar penuh radiasimatahari. Dari hasil perhitungan, bebanpendinginan maksimum tiap unit keretasebesar 17,2 kW sehingga setiap unit kereta
dapat dilayani oleh 6 unit AC split masing-masing berkapasitas 1 TR (3,52 kW).
Kondisi Batas. Kondisi batas simulasidiperoleh dari perhitungan beban pendinginyang telah dilakukan sebelumnya. Kondisibatas yang digunakan terdiri dari dua jeniskondisi batas, yaitu kondisi batas Dindinguntuk model perpindahan panas di sekitardinding kereta dan kondisi batas Heat Flux
untuk model perpindahan panas yangdihasilkan manusia di daerah tempat duduk.Nilai yang digunakan sebagai kondisi batasdisajikan pada Tabel 2 dan Tabel 3.Sementara itu, kondisi batas pada AC split
meliputi kecepatan udara dingin 2,75 m/spada temperatur 285K.
Rejim dan model aliran udara.Penentuan rejim aliran (apakah laminar,
Tabel 2 Kondisi Batas pada Dinding
ElemenBeban Pendinginan
Total [W]Koefisien Konveksi / U
[W/oC.m2]A
[m2]Free Stream
Temperature [K]
Atap 1272,47 0.741 53,6 329,04
Dinding Utara 328,77 0.7532 24,31 314,95
Dinding Selatan 295,31 0.7532 24,31 313,13
Kaca Utara 446,42 2.5035 7,37 321,19
Kaca Selatan 460,64 2.5035 7,37 321,97
Lantai 1443,66 2,4446 47,86 309,34
Partisi Pintu 164,21 2.4109 5,59 309,19
Pintu 55,63 2.5457 2,92 304,48
Partisi Toilet 221,57 2,4109 7,62 309,06
Partisi Dinding 139,34 2,4109 4,7 309,29
Tabel 3 Kondisi Batas Heat Flux untuk Model Manusia
ElemenBeban Pendinginan
Total [W]A
[m2]Heat Flux[W/m2]
Kursi Dua 6095,96 54,41 112,04
Kursi Tiga 6330,42 48,15 131,47
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
transisi, atau turbulen) sangat menentukankarena akan menentukan model aliran udarayang harus digunakan. Rejim aliran dapatditentukan dengan menggunakan kriteria nilaibilangan Reynolds yang didefinisikan padaPers. 1.
. ………………..………..(1)
Bilangan Reynolds aliran adalah 20599,92yang menandakan aliran turbulen. Dalamsimulasi ini digunakan model aliran udara k-Epsilon untuk perhitungan viskositas danbeberapa parameter aliran lainnya.
Konfigurasi Pemasangan AC Split.Pada makalah ini ada 4 konfigurasi
pemasangan AC split yang disimulasikan dandiperbandingkan, yang disebut sebagaiKonfigurasi-1 sampai dengan Konfigurasi-4.Pada Konfigurasi-1, unit AC dipasang dengansusunan 3 pasang unit yang saling bertolakbelakang dan dipasang melintang disepanjang lorong kereta seperti diperlihatkanpada Gambar 3. Pada Konfigurasi-2, tiga unitAC dipasang secara berjajar pada masing-masing dinding kiri dan kanan kereta. PadaKonfigurasi-3: enam unit AC dipasang secaramelintang menghadap arah yang sama danberjajar di sepanjang lorong kereta sepertidiperlihatkan pada Gambar 4. Pemasanganunit AC pada Konfigurasi-4 mirip denganyang ada pada Konfigurasi-1. Mereka hanyaberbeda dalam jarak antar pasangan unit AC,yaitu jarak antar pasangan unit AC padaKonfigurasi-1 adalah 4,5 m sedangkan padaKonfigurasi-4 adalah 5 m.
Hasil Penelitian dan Pembahasan.
Keempat model kabin kereta dengankonfigurasi pemasangan unit AC split yangberbeda telah dibuat dan digunakan untukperhitungan simulasi CFD. Dari hasil simulasiyang diperoleh diketahui bahwa kecepatanudara pada semua model kabin keretamenunjukkan sebaran kecepatan udara yang
memenuhi batas kenyamanan kecepatan udaraseperti terlihat pada Gambar 5. Namundemikian, pada Gambar 5 tampak bahwadistribusi kecepatan udara pada Konfigurasi-1tidak semerata yang ada pada konfigurasilainnya. Hal ini terjadi karena penempatanunit AC pada Konfigurasi-1 relatif lebihterkumpul di bagian tengah kabin kereta(jarak unit AC ke dinding ujung depan danbelakang kabin kereta lebih jauh dibandingdengan yang ada pada konfigurasi lainnya).Kehadiran dinding yang relatif lebih banyakdi daerah ujung kabin kereta berdampakterhadap hambatan alir udara yang relatiflebih besar dibandingkan dengan yang terjadidi daerah tengah kabin. Pada Konfigurasi-1hambatan alir udara yang relatif besar diujung kabin kereta tidak dikompensasi denganpenempatan unit AC yang lebih dekat kedaerah ujung kabin.
Sementara itu, bila ditinjau dari aspekdistribusi temperatur yang diperoleh dari hasilsimulasi, terlihat bahwa pola distribusitemperatur dalam kabin sangat tidak sepertiditunjukkan pada Gambar 6. Pada gambartersebut juga terlihat bahwa Konfigurasi-3dan Konfigurasi-4 memberikan hasil yangcukup baik (temperatur ruang kereta yangmerata dan tidak memiliki daerahbertemperatur ekstrim) bila dibandingkandengan distribusi temperatur pada keduakonfigurasi lainnya. Di samping itu, pada
Gambar 5 Model Konfigurasi-1
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
Gambar 6 juga tampak bahwa distribusitemperatur udara pada Konfigurasi-1 tidaksemerata distribusi temperatur udara padakonfigurasi AC lainnya. Hal ini terkait denganpemasangan unit AC Konfigurasi-1 yangrelatif terkumpul di daerah tengah kabinkereta seperti telah dibahas terkait distribusikecepatan udara pada Konfigurasi-1.
Walau Konfigurasi-3 dan Konfigurasi-4menunjukkan kualitas distribusi temperature
udara yang serupa, namun Konfigurasi-3dengan penempatan susunan 6 unit ACmelintang secara berjajar kurang disukaikarena pertimbangan teknik pemasangan yanglebih sulit dan kurang ekonomik. Konfigurasi-3 membutuhkan 6 buah penahan (mounting)pada setiap unit AC, sedangkan Konfigurasi-4hanya membutuhkan 3 buah penahan untuksetiap pasangan (2 unit) AC. JadiKonfigurasi-4 dipandang sebagai susunanpemasangan AC split yang terbaik dandisarankan untuk diterapkan.
Gambar 4 Model Konfigurasi-3
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
KesimpulanDari hasil simulasi CFD dan analisis yang
dilakukan dapat disimpulkan hal pentingberikut: (a) Konfigurasi-4 merupakankonfigurasi yang terbaik untuk diaplikasikanpada tiap-tiap kereta penumpang kelasekonomi dengan konfigurasi interior sepertiKRL Ekonomi Bandung Raya, dan (b) di
antara keempat konfigurasi pemasangan ACsplit, Konfigurasi-1 merupakan konfigurasiterburuk akibat penempatan unit AC yangrelatif terkumpul di bagian tengah kabinkereta.
Rent
ang
Kena
yam
anan
Gambar 6 Perbandingan distribusi kecepatan udara (m/s), konfigurasi 1-4 dari kiri ke kanan
Rent
ang
Kena
yam
anan
Gambar 7 Perbandingan distribusi temperatur kabin (K), konfigurasi 1-4 dari kiri ke kanan
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
KE-66
Ucapan Terima KasihPenulis menyampaikan terima kasih
kepada Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantaraatas dukungan pendanaan untukmempublikasikan dan mempresentasikanmakalah ini.
Referensi
[1] Kementerian Negara Riset dan TeknologiRepublik Indonesia, Buku Putih Penelitian,Pengembangan, dan Penerapan Iptek danManajemen Transportasi, KementerianNegara Riset dan Teknologi, Jakarta, 2006.[2] Direktorat Jenderal Perkeretaapian,Rencana Induk Perkeretaapian Nasional,Ditjen Perkeretaapian - KementrianPerhubungan, Jakarta, 2011.[3] Ambar Isti Fatma, dan Saino, AnalisisFaktor yang Mempengaruhi KeputusanKonsumen untuk Menggunakan Jasa KeretaApi Komuter Tujuan Lamongan-Surabaya,Jurnal Online Universitas Negeri Surabaya.(http://ejournal.unesa.ac.id/article/9621/54/article.pdf, diakses 22 Januari 2015).[4] Ardian Yudo Dewanto, The Selecting andPlacement of an Air Conditioning Unit for aSpecified Room by Considering its FurnitureArragement, Tugas Sarjana, Teknik MesinFTMD ITB, Bandung, 2012.[5] Basalaria Talarosha, MenciptakanKenyamanan Termal dalam Bangunan, J. Sist.Tek. Industri, 3 (2005) 148-158.[6] Tyas Fee Nabil, Catatan kuliahkenyamanan termal, (http://tyasfeenabil.blogspot.com/2012/02/kenyamanan-thermal.html, diakses pada 28 Januari 2015).
