Cooling Loads (Catatan 1)

Prepared by: Himsar AMBARITA

Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering, USU

1

BAB V

BEBAN PENDINGINAN Cooling Loads Estimation

Seandainya urusan siklus refrigerasi, refrigeran, dan psikometrik telah anda

kuasai dengan baik atau benar-benar telah dimengerti, bisa saya pastikan bagian ini

akan sangat menantang adrenalin anda sebagai seorang calon mechanical engineer

sejati. Jika belum, maka saya sarankan anda untuk mengulangnya lagi. Satu

nasehat tambahan bagi anda yang belum lulus Perpindahan panas-II (konveksi)

saya minta untuk bekerja lebih keras karena bab ini akan didominasi oleh

perpindahan panas. Alasan saya menuliskan ini adalah: Dari bab inilah sebenarnya

petualangan merancang suatu system pendingin dimulai. Dengan diketahuinya

beban pendingin, maka besar beban evaporator dapat diketahui, dari beban

evaporator dapat dilanjutkan kepada kerja compressor dan beban kondensor.

Dengan kata lain, perhitungan inilah yang menentukan besar unit yang akan

dirancang. Besarnya suatu unit pendingin ditentukan oleh besarnya beban

pendinginan.

Perhatikan kasus berikut: seorang OKB (orang kaya baru) meminta nasehat

anda: “saya punya rumah baru yang luas bagunannya 10m × 20m. Dengan kondisi

cuaca kota Medan yang kadang sampai 350C, saya ingin membuat suhu ruangan

di rumah saya terjaga 200C sepanjang hari. Co kau buat dulu kalkulasinya berapa

PK AC yang dibutuhkan untuk itu!” Tentu anda tidak akan menjawabnya dengan

“perasanaan”. Sebagai seorang engineer yang tangguh anda akan melalukan

perkerjaan yang melibatkan semua ilmu heat transfer, mekanika fluida, dan

thermodinamika. Seperti inilah sebenarnya alur bekerja yang benar, tetapi pada

prakteknya hal ini sering dilanggar, apalagi bagi orang-orang yang maunya jalan

pintas saja. Misalnya kasus OKB tadi, kalau kita asal mendesign, akibatnya

temperatur 200C, sesuai pesanan, tidak pernah atau sulit tercapai, mungkin bagi

kita tidak ada resikonya. Apalagi kalau kita diminta menghitungnya dengan proyek

tengkyu.

Tetapi kadang kita harus berhadapan dengan keadaan yang menuntut

perhitungan dengan presisi tinggi. Misalnya suatu saat anda berencana memulai

usaha export pengalengan ikan. Ikan hasil tankapan nelayan, katakanlah sampai 10

ton, harus anda simpan di dalam cold storage pada temperatur sekitar -200C,

sebelum di export. Jika di atas temperature ini, misalnya -100C, ikan kalengan anda

tidak akan segar dan rasanya mungkin berubah dan tidak lolos kualifikasi export.

Karena masih merintis, anda harus turun tangan sendiri untuk mendesign cold

storage untuk itu. Kasus ini tentu bukan main-main, anda harus benar-benar

menghitung beban pendingin untuk bisa menjaga suhu ruangan penyimpanan itu

dibawah -200C, jika tidak perusahaan anda akan bangkrut. Untuk itulah diperlukan

pengetahuan menghitung beban pendingin.

Beban pendingin adalah laju panas yang harus dipindahkan dari ruangan ke

lingkungan sehingga suhu dan kandungan uap airnya terjaga seperti yang

diinginkan. Banyak faktor yang mempengaruhi besarnya beban pendingin ini,

misalnya kodisi suhu di luar ruangan, kebocoran udara dari luar ke dalam ruangan,

aktifitas di dalam ruangan misalnya terdapat mesin yang menghasilkan panas dan



2

juga lampu listrik, dan jumlah orang yang keluar masuk dari ruangan, dll. Satu

fakta yang harus diingat bahwa terjadinya kondisi puncak masing-masing beban ini

bisa saja bersamaan atau tidak bersamaan. Misalnya beban panas yang mengalir

dari dinding terjadi di siang hari sekitar pukul 12 s/d 14 siang. Sementara beban

panas dari lampu listrik mencapai makximum pada malam hari (saat semua lampu

dihidupkan). Oleh karena itu beban pendingin selalu bervariasi selama 24 jam

dalam satu hari, bahkan akan berbeda tiap hari, tiap minggu, dan tiap bulan

tergantung kondisi rata-rata cuaca. Bisa dipastikan akan banyak asumsi yang bakal

digunakan selama perhitungan beban pendingin.

Pada prakteknya banyak metode perhitungan beban pendingin yang telah

diajukan oleh beberapa badan standard. Tetapi yang paling umum digunakan

adalah metode yang diajukan oleh ASHARE. Metode ini menggunakan banyak

parameter yang didapat dengan cara pengumpulan data dan juga eksperiment. Pada

bab ini metode ASHRAE akan digunakan sebagai acuan perhitungan beban

pendingin.

I. Jenis Beban Pendingin

Beban pendinginan adalah aliran energi dalam bentuk panas. Perlu diulang

kembali bahwa tugas unit pendingin adalah menjaga kondisi suatu ruangan agar

berada pada suhu dan kelembaban tertentu yang umumnya lebih rendah dari

temperatur dan kelembaban lingkungan luar. Jenis beban pendingin, dapat dibagi

menjadi dua, yaitu panas sensible dan panas laten. Panas sensible adalah panas

yang diterima atau dilepaskan suatu materi sebagai akibat perubahan suhunya.

Panas laten adalah panas yang diterima atau dilepaskan suatu materi karena

perubahan fasanya. Untuk lebih menjelaskan arti masing-masing panas ini,

misalkan kita mendinginkan air dari 100C sampai mejadi es 0

0C. Panas yang

diserap dari air mulai dari 100C menjadi 0

0C (masih tetap air) disebut beban

sensible. Jika air yang suhunya sudah 00C didinginkan lagi hingga akhirnya

menjadi es, di sini tidak terjadi perubahan suhu, tetapi perubahan fasa. Panas yang

diserap di sini disebut panas laten. Contoh yang lebih jelas pada masalah

pengkondisian udara dijelaskan pada contoh di alinea berikut.

Rasio kandungan uap, w(g/kg)

Td

80% 60%o

i

24,5

8,8

3220

95

55,5

42,5

t

Panas Laten

Panas sensibel

Gambar 1 Jenis beban pada pendinginan udara luar



3

Misalkan kita memasukkan udara ventilasi dari luar yang suhunya 320C

dan RH 80% ke dalam ruangan yang sedang dikondisikan pada temperatur 200C

dan RH 60%. Karena kita memasukkan udara dari luar yang lebih panas, maka

udara ventilasi ini akan menjadi beban pendinginan. Beban pendingin yang terjadi

di sini ada dua, yaitu beban sensibel dan beban laten. Bagaimana cara membedakan

masing-masing beban ini akan dijelaskan dengan diagram psikometrik pada

Gambar 1.

Panas sensible untuk mengubah temperatur udara luar dari 320C menjadi

200C adalah sebesar:

TcmQ as ∆= (1)

Untuk tiap 1 kilogram udara kering nilainya sama dengan entalpi titik t dikurangi

entalpi titik i atau sama dengan 55,5 – 42,5 = 13 kJ/kg.

Panas laten untuk mengubah kelembaban udara dari kondisi kelembaban

temperatur udara luar 320C menjadi 20

0C adalah sebesar:

)( iofgas wwhmQ −= (2)

Dimana hfg adalah entalpi penguapan pengembunan uap air dan w adalah rasio

kelembaban udara. Untuk tiap 1 kilogram udara kering nilainya sama dengan

entalpi di titik o dikurangi entalpi di titik i atau sama dengan 95 – 55,5 = 39,5 kJ/kg.

Sementara total beban pendingin dari mulai o ke i adalah sebesar 95 – 42,5 = 52,5

kJ/kg. Seandainya udara ventilasi yang dimasukkan adalah 1 kg/s, maka

selanjutnya kasus pendinginan ini akan sering disebut sebagai berikut: Total beban

pendingin adalah 52,5 kW, yang terdiri dari beban sensible 13 kW dan beban laten

52,5 kW.

II. Sumber-sumber Beban Pendingin

Beban pendingin bagi suatu ruangan yang dikondisikan bisa berasal dari

beberapa sumber. Sumber-sumber ini umumnya dibagi 2 bagian besar, yaitu beban

yang berasal dari luar ruangan dan beban yang berasal dari dalam ruangan. Panas

yang berasal dari luar ruangan antara lain: panas yang berpindah secara konduksi

dari dinding, dari kaca, dari atap, dan dari jendela. Panas radiasi sinar matahari

yang masuk dari material yang tembus pandang seperti bahan kaca dan plastic.

Panas dari masuknya udara luar, yaitu udara ventilasi dan udara infiltrasi.

Sementara sumber panas yang berasal dari dalam dapat berupa panas

akibat lampu penerangan, panas dari mesin yang ada di ruangan, panas akibat

peralatan memasak yang ada di ruangan, komputer, dll. Dan juga panas dari

mahluk hidup yang ada di ruangan (manusia). Semua sumber-sumber panas ini

akan dihitung beban yang diakibatkannya pada unit pendingin. Bagaimana

persamaan menghitung beban ini dan apa jenis beban yang ditimbulkan (panas

sensible atau panas laten) akan dibahas satu-persatu.

Menghitung beban pendingin pada prinsipnya adalah menghitung laju

perpindahan panas yang melibatkan semua jenis perpindahan panas, yaitu:

konduksi, konveksi, radiasi, penguapan, dan pengembunan. Adalah sangat sulit

jika harus menghitungnya satu persatu pada waktu tertentu. Oleh karena itu dikenal

banyak metode perhitungan beban pendingin. Metode yang umum digunakan

antara lain Transfer function method (TFM), Cooling Load Temperature Difference

(CLTD), dan Time-averaging (TETD/TA). Dari ketiga cara ini, hanya CLTD yang

menggunakan perhitungan sederhana sehingga dapat dilakukan secara manual.

Sementara TFM dan TETD/TA adalah perhitungan yang dirancang untuk

diselesaikan dengan menggunakan komputer. Pada buku kuliah ini, kita hanya akan

membahas CLTD, sementara metode yang dua lagi diserahkan kepada mahasiswa

untuk mempelajarinya dan bagi yang serius bisa menekuninya dalam bentuk Tugas

Akhir.



4

Sebelum melakukan perhitungan beban pendinginan pada suatu ruangan

yang akan dikondisikan, data-data pendukung harus dikumpulkan. Data yang harus

dimiliki sebelum melakukan perhitungan adalah sebagai berikut:

1. Lokasi bangunan dan arahnya

Dimana posisi bangunan yang akan dihitung bebannya? Pada lintang berapa,

ketinggian berapa? Informasi ini perlu untuk mengetahui temperatur

lingkungan dan radiasi matahari rata-rata di sekitar bangunan. Kearah mana

gedung menghadap? (timur atau ?). Informasi ini dibutuhkan untuk mengetahui

arah paparan radiasi matahari.

2. Konstruksi dari bangunan, misalnya tebal dinding dan terbuat dari apa?

Informasi ini dibutuhkan untuk mendapatkan koefisien perpindahan panas

menyeluruh dari konstruksi bangunan.

3. Kondisi di luar gedung, misalnya apakah ada pelindung misalnya pohon atau

bangunan tinggi yang menghindari gedung dari paparan sinar matahari.

4. Kondisi design di dalam gedung, misalnya pada temperatur dan RH berapa

gedung akan dikondisikan.

5. Jadwal penghuni di dalam gedung, misalnya jika pusat perbelanjaan pada

pukul berapa terjadi kunjungan terbanyak, dll.

6. Jumlah lampu dan peralatan listrik yang dipasang di dalam gedung

7. Jadwal masuknya/beroperasinya peralatan-peralatan di dalam gedung

8. Kebocoran udara (infiltrasi) dan penambahan udara (ventilasi).

Informasi-informasi ini akan digunakan sebagai parameter pada

perhitungan dan atau untuk mencari parameter-parameter tambahan yang akan

digunakan dalam perhitungan beban pendingin.

Prosedur perhitungan beban pendingin dengan menggunakan metode

CLTD adalah sebagai berikut.

A. Beban Pendingin dari Luar

a. Panas konduksi dari dingin, atap, dan konduksi dari dinding yang berbahan

kaca.

( )corrs CLTDUAQ = (3)

Dimana sQ adalah beban pendingin (Watt) dan merupakan beban sensible.

Sebagai catatan panas konduksi tidak mempunyai beban latent. U koefisien

perpindahan panas untuk bahan dinding, atap dan kaca (Lihat Lampiran1 dan

Lampiran 2 pada bagian ketiga catatan ini).

CLTD adalah cooling load temperature difference ditampilkan pada Tabel 30

dan Tabel 32 Bab 28 ASHARE (Bahan ini akan saya bagi beserta tulisan ini,

disebut sebagai bahan kedua).

Data pada table tersebut adalah untuk kondisi di USA pada 400LU di bulan

July, sementara untuk yang bukan lintang itu harus dikoreksi dengan

menggunakan persamaan berikut:

)4,29()5.25()( −+−++= mrcorr TTkLMCLTDCLTD (4)

Nilai LM dapat dilihat pada Lampiran 3 (catatan bagian 3). Dan k adalah

koreksi karena pengaruh warna = 1 (Gelap), =0,83 (medium), dan =0,65

(cerah). rT = temperatur ruangan yang direncanakan. mT = temperatur udara

luar maksimum – (beda temperature harian/2).

b. Panas transmisi dari dinding kaca

SCLSCAQs ××= (5)

Dimana A adalah luas penampang, dan SC adalah koefisien bayang (shading

coefficient), gunakan tabel 4 pada lampiran. SCL adalah solar cooling load

factor ditampilkan pada table 36 ASHARE Bab 28. Panas ini adalah panas

sensible.



5

c. Panas dari atap, partisi, dan lantai

)( 0 rs TTUAQ −= (6)

Dimana U dihitung berdasarkan bahan atap dan lantai (Lampiran 1).

0T temperatur di luar ruangan yang dijaga pada temperature rT .

B. Beban Panas dari Dalam Ruangan

d. Panas dari tubuh manusia di dalam ruangan

Tubuh manusia dalam beraktivitas, selalu mengeluarkan panas ke udara

sekelilingnya. Panas yang dilepaskan oleh tubuh manusia ini terdiri dari 2 jenis,

yaitu panas sensible dan panas laten. Masing-masing panas ini dapat dihitung

sebagai berikut:

×= NQs (Sensible heat gain)× CLF (7)

×= NQl (Laten heat gain) (8)

Sensible heat gain dan Laten heat gain adalah perkiraan panas sensible dan

panas laten yang dikeluarkan manusia dan sesuai umur dan aktivitasnya.

Datanya ditampilkan pada Tabel 3. Dan N adalah jumlah manusia yang ada di

ruangan. CLF adalah cooling load factor datanya ditampilkan pada Table 37.

e. Panas dari Lampu/Penerangan

Lampu atau alat penerangan mengubah energi listrik menjadi cahaya, dan

sebagian energi ini akan berubah menjadi panas. Sebagai catatan bola lampu

akan terasa panas setelah dihidupkan beberapa lama. Besar panas yang

dilepaskan bola lampu/penerangan ke lingkungan adalah panas sensible dan

dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

CLFFFWQ sauls ××= (9)

Dimana W adalah daya total lampu, ulF lighting use (dibuat pada table),

saF special allowance factor, dan CLF adalah cooling load factor untuk lampu

(Tabel 38).

f. Panas dari motor listrik

Di dalam ruangan yang dikondisikan juga umumnya terdapat motor listrik,

misalnya motor listrik yang membuat perputaran udara melalui evaporator.

Contoh lain misalnya motor penggerak pompa air. Data pata Tabel 4 dapat

digunakan langsung atau dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

berikut:

CLFEPQ Fs ××= (10)

P adalah total daya motor, FE factor efisiensi, dan CLF adalah cooling load

factor untuk motor (Tabel 37).

g. Panas dari peralatan dapur dan memasak (Appliances)

Sudah dapat dipastikan kegiatan memasak di dapur akan memberikan beban

pendingin ke dalam ruangan yang akan didinginkan. Besar beban ini dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

CLFFFqQ RUinputs ××= (11)

atau

CLFFqQ Linputs ××= (12)

CLF cooling load factor yang ditampilkan pada Tabel 37 dan Tabel 39.

h. Panas dari udara ventilasi dan udara infiltrasi

Arti dari udara ventilasi dan infiltrasi telah dijelaskan di bagian atas, saat

menjelaskan jenis beban pendingin di persamaan (1) dan persamaan (2).

Persamaan yang lebih praktis yang dapat digunakan untuk menghitung panas



6

sensible dan panas laten dari tambahan udara ventilasi ini adalah persamaan

berikut ini :

)(23,1 ios TTQQ −= (13)

)(3010 iol wwQQ −= (14)

Dan beban total adalah:

)(2,1 iototal hhQQ −= (15)

Dimana Q adalah laju aliran udara ventilasi. Biasanya ditetapkan sesuai design.

III. Nasehat Bagi Mahasiswa

Di antara semua Bab yang ada di pelajaran Teknik Pendingin ini, bagian

ini adalah bagian tersulit yang harus saya ajarkan. Beberapa alasannya antara lain:

Alasan pertama, pada bagian ini semua ilmu perpindahan panas akan diterapkan,

mulai dari menghitung koefisien perpindahan panas dan metode-metode

perpindahan panas. Alasan kedua, beban pendingin bersifat sangat transient dan

sangat tergantung tempat. Beban pendingin pada hari yang sama akan berbeda pada

jam 10 pagi dan pada jam 2 siang misalnya. Bahkan seandainyapun bentuk

bangunan dan jenis bangunan sama, jika tempatnya berbeda misalnya di Jakarta

akan berbeda dengan jika di Medan. Oleh karena itu adalah sangat sulit

merumuskan suatu rumus yang general untuk menghitung beban pendingin ini.

Bandingkan dua kasus berikut. Kasus A, sebuah siklus kompressi uap

R134a beroperasi pada temperatur kondensasi 400C dan temperatur evaporasi -

100C, satu berada di London dan satu berada di Medan, ditanya berapakah COP

nya? Kasus B, sebuah rumah berdinding beton berada di Paris dan Rumah dengan

bentuk dan bahan yang persis sama berada di Medan. Berapakah beban

pendinginan rumah tersebut pada musim panas, yaitu bulan July. Jawaban untuk

kasus A akanlah sama dimanapun SKU itu berada. Sementara jawaban untuk kasus

B akan sangat berbeda. Oleh karena sangat berbeda, maka perhitungan beban

pendingin ini akan melibatkan sangat banyak table dan asumsi-asumsi. Adalah

sangat tidak mungkin memang mempelajari semuanya hanya dalam beberapa kali

pertemuan. Tetapi paling tidak anda tau bahwa ada metode perhitungan beban

pendingin yang harus dipelajari lebih lanjut.

Berbicara tentang perhitungan beban pendingin ini, saya jadi teringat

betapa frustasinya saya dulu (tahun 1996-1997) mengerjakan Tugas Akhir saya.

Tema tugas saya dulu adalah Design unit pengkondisian udara untuk sebuah rumah

sakit di kota Medan. Karena saat itu RS Gleneagles di Jl Listrik, sedang dibangun

dan Project Manajernya adalah alumni kita, maka saya menjadikan RS itu sebagai

acuan perhitungan saya. Saya mengumpulkan semua informasi gambar bangunan

tiap lantai, bahan bangunan, rencana pemasangan listrik, motor untuk Lift,

peralatan di dapur, dll. Dengan menggunakan semua data itu dan rumus-rumus dari

buku ASHRAE, saya harus bekerja siang malam melakukan perhitungan manual.

Saat itu komputer belum sebanyak sekarang, hanya ada beberapa rental computer

di Sp. Kampus, Sumber dan Pasar-I. Laptop sama sekali belum ada, apalagi

internet yang bisa facebookan.

Jadi saya harus menghitung dulu manual di tempat kost, baru dipindahkan

ke komputer dengan merental jam-jaman. Hanya pada bagian menghitung beban

pendingin ini, saya menghabiskan waktu nonstop kurang lebih 3 bulan. Menurut

saya itu termasuk cepat, mungkin karena saat itu belum ada facebook, jadi tidak

ada waktu terbuang mengubah-ubah status di facebook. Misalnya: “Bagaimana ya

mencari CLTD dinding timur rumah sakit?” Setelah itu besok diubah lagi, “Patent

sekarang lanjut menghitung beban sensible”…He..he..Maksud saya, anda akan

sama pengingnya dengan saya dulu waktu mahasiswa mengerjakan tugas

perhitungan beban pendingin ini.



7

Tulisan ini akan disertai 2 bagian tulisan tambahan (Total menjadi 3).

Bagian kedua berupa copy dari BAB 28 ASHRAE 1997 Fundamental yang khusus

membahas perhitungan beban pendingin. Pada bagian ini akan banyak dijumpai

contoh-contoh soal dan tabel tabel untuk melakukan perhitungan. Bagian ketiga

adalah lampiran tabel tambahan yang akan dibutuhkan untuk melakukan

perhitungan beban pendingin. Silahkan dipelajari setiap contoh soal yang ada.

Tugas-3. Perhatikan contoh soal No 6 di halaman 34 Bab 28 ASHARAE 1997

(Bagian kedua catatan yang diberikan). Pada soal tersebut bangunan itu

menghadap ke Utara. Jika gedung tersebut diputar jadi menghadap ke Timur

lakukanlah perhitungan beban pendingin untuk gedung tersebut dengan cara

CLTD (Seperti yang dilakukan contoh 11 di halaman 54).

Catatan Contoh soal No 6 dan No 11 adalah sama, perbedaannya di No 6

diselesaiakan dengan cara TFM dan No 11 dengan cara CLTD. Di tugas ini saya

minta anda mengerjakan soal yang sama dengan cara CLTD (No 11) tetapi arah

gedungnya diputar menjadi menghadap ke Timur.

Selamat Bekerja.

This File Belongs to Himsar AMBARITA

Mechanical Engineering Department, USU

Cooling Loads (Catatan 1)

Documents

Transcript of Cooling Loads (Catatan 1)