08
Jan

SIMULASI THERMAL COMFORT KANTOR OPTIMAXX MENGGUNAKAN ANSYS FLUENT

Penulis: Riqy Rizqyandra – CAE Engineer PT Optimaxx Prima Teknik (2023)

PENDAHULUAN

Gambar 1. Sistem sirkulasi udara pada kantor

Kantor merupakan sebuah ruangan yang berfungsi untuk bekerja. Selama karyawan sedang bekerja, karyawan tersebut harus merasa nyaman di dalam ruangan tersebut. Kenyamanan dapat tercipta jika sirkulasi di dalam kantor berjalan dengan baik. Sistem sirkulasi udara tersebut dapat dilihat pada gambar di atas. Di dalam pipa udara tersebut terdapat Air Handling Unit yang berfungsi untuk mengkondisikan udara luar menjadi “nyaman” Ketika sampai di dalam ruangan.

Dalam tulisan kali ini penulis akan mensimulasikan thermal comfort pada kantor Optimaxx. Selain kenyamanan ini dapat dinilai secara subjektif, kenyamanan ini dapat dikuantifikasikan secara objektif menggunakan variable yang bernama Equivalent Draft Temperature (EDT), Predictive Mean Vote (PMV), dan Predictive Percentage Dissatisfied (PPD). Standar yang mengatur thermal comfort ini diatur dalam ASHRAE Standard 55 dan ISO 7730.

PRE-PROCESSING  

Gambar 2. Domain fluida kantor Optimaxx
Gambar 3. Naming selection dan boundary condition
Gambar 4. Pengambilan data pada XY plane Y = 1.5 m
Gambar 5. Mesh bagian luar dan dalam

Ruang kantor yang disimulasikan berjumlah 3 ruang. Terdapat ruang kerja, ruang meeting, dan ruang workshop. Pada ruangan tersebut terdapat model manusia berjumlah 5 orang dan meja berjumlah 5. Terdapat dua buah AC (sebagai inlet) yang terletak pada ruang kerja dan ruang meeting. Antara ruang kerja dan ruang workshop dihubungkan secara internal agar aliran udara dapat masuk dari ruang kerja ke ruang workshop.

Di atas ruang workshop terdapat naming selection bernama solar load yang berfungsi sebagai heat flux masuk dari matahari. Karena pada kenyataannya pada permukaan tersebut terdapat atap asbes yang berfungsi untuk menghalau sinar matahari. Model manusia yang berbentuk silinder akan diberikan heat flux sebesar 1 Metabolic Rate (60 W/m2). Pengambilan data akan dilakukan pada arah vertical sebesar 1.5 m. Biasanya 1.5 m ~ 1.8 m didefinisikan sebagai breathing zone. Pada plane tersebut akan dibuat kontur temperature, EDT, PMV, dan PPD.

SETUP

Gambar 6. Radiation Model
Gambar 7. Solar Calculator pada Radiation Model
Gambar 8. Irradiasi sinar matahari yang dihitung dari Solar Calculator

Pada simulasi thermal comfort di dalam suatu ruangan perlu mengaktifkan Radiation Model. Radiation model memungkinan kita untuk mendapatkan irradiasi akibat sinar matahari. Solar Calculator diperlukan koordinat kantor Optimaxx dalam bentuk Longitude dan Latitude serta Timezone relative terhadap GMT (Indonesia +7 GMT). Kita juga harus memasukkan hari dan bulan (Day of Year) dan pukul berapa (Time of Day). Karena semua factor tersebut dapat memengaruhi nilai irradiasi matahari. Nilai irradiasi matahari yang dihitung dapat dilihat pada console. Dapat dilihat bahwa pada jam 12 siang nilai irradiasi matahari sekitar 1000 W/m2 (hal ini cukup masuk akal mengingat Indonesia berada di khatulistiwa).

Gambar 9. Properti udara

Karena simulasi ini memperhitungan sirkulasi udara akibat perbedaan temperature, maka model densitas udara yang digunakan adalah bousinessq. Karena mengaktifkan bousinessq maka user perlu memasukkan Thermal Expansion Coefficient dari udara. Karena kita juga mengaktifkan radiasi maka terdapat beberapa properti yang otomatis aktif seperti pada gambar di atas.

Gambar 10. Inlet boundary condition

Inlet kerja dan inlet meeting memiliki kecepatan yang sama, mengarah  ke bawah dan temperature 16.

Gambar 11. Solar wall boundary condition
Gambar 12. Penyerapan dan pantulan sinar matahari pada kaca

Permukaan yang bernama solar diberi Radiation Thermal Condition dan berjenis semi-transparant (karena asbes masih dapat dilewati sinar matahari). Semi-transparant ini mewajibkan kita untuk memasukkan Absorptivity & Transmisivity Coefficient. Semakin besar Absorptivity maka semakin besar panas matahari yang diserap. Gambaran umum mengenai penyerapan dan pantulan ini dapat dilihat pada gambar 12.

Gambar 13. Person boundary condition
Gambar 14. Dinding dan meja boundary condition

Untuk permukaan model manusia diberi constant heat flux sebesar 60 W/m2. Permukaan dinding, meja, lantai, dan atap semua diberi koefisien konveksi sebesar 10 W/m2 K (nilai ini merupakan nilai yang biasa digunakan untuk konveksi natural).

POST-PROCESSING

Gambar 15. Irradiasi matahari pada permukaan lantai
Gambar 16. Kontur temperature pada lantai
Gambar 17. Temperature rata-rata di setiap ruang kerja

Gambar di atas menunjukan irradiasi yang tembus ke dalam ruangan. Dari irradiasi yang dipancarkan dari matahari sebesar 1000 W/m2 menjadi sekitar 300 W/m2. Temperature pada permukaan lantai ruang workshop akan memiki temperature relative panas disbanding lantai di ruang kerja dan ruang meeting. Dengan kecepatan 1 m/s dan mengarah  ke bawah didapatkan temperature rata-rata ruangan kerja&meeting dan ruang workshop (dulunya ruang makan) sebesar .

Gambar 18. Kontur PMV pada ketinggian 1.8 m
Gambar 19. Kontur PPD pada ketinggian 1.8 m
Gambar 20. Skala PMV
Gambar 21. Persamaan PMV
Gambar 22. Persamaan PPD
Gambar 23. Clothing Insulation Factor
Gambar 24. Tabel laju metabolisme

Untuk mendapatkan PMV dan PPD dapat dihitung menggunakan persamaan seperti pada gambar 20&21. Ada banyak factor yang dapat memengaruhi PMV. Salah satunya adalah laju metabolisme. Laju metabolisme tergantung kegiatan yang sedang dilakukan. Saat duduk diam, laju metabolisme sebesar 1 Met atau ekuivalen dengan 58 W/m2. Faktor penentu lain adalah clothe insulation factor (Clo). Nilai Clo ini tergantung jenis pakaian apa yang sedang dipakai. Menurut ASHRAE Standard 55 nilai PMV itu diantara -3 sampai +3. -3 kedinginan dan +3 kepanasan. Dari hasil simulasi (gambar 18) didapatkan rata-rata PMV sebesar -0.7 sampai -0.5. Jika merujuk pada skala PMV range tersebut masuk ke dalam sedikit dingin. PPD digunakan untuk melihat % orang yang tidak nyaman. Dari hasil simulasi didapatkan sekitar 15% orang tidak nyaman jika berada di dalam ruangan tersebut.

Gambar 25. Kontur EDT pada ketinggian 1.8 m
Gambar 26. Persamaan EDT
Gambar 27. Hubunan antara ketidaknyamanan dengan temperature dan kecepatan udara
 

Selain PMV dan PPD kita juga dapat menggunakan EDT. Menurut persamaan EDT kenyamanan merupakan efek dari temperature dan kecepatan. Temperature rendah tetapi kecepatan terlalu tinggi, bisa jadi orang tidak akan merasa nyaman. Grafik hubungan antara ketidaknyamanan, kecepatan, dan temperature udara dapat dilihat pada gambar 27. Grafik tersebut menunjukan jika udara terlalu kencang meskipun temperature rendah/tinggi orang bisa merasa tidak nyaman. Menurut standar ISO 7730 agar merasa nyaman, nilai EDT berada di range -1.5 K sampai 1 K.

Referensi

[1] Zhang Lin. Effective draft temperature for evaluating the performance of stratum ventilation. Building and Environment 2011.https://www.linkedin.com/pulse/role-cfd-evaluating-occupant-thermal-comfort-sandip-jadhav/