PERAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) DALAM DESAIN SISTEM HEATING, VENTILATION AND AIR CONDITIONING (HVAC)

Computational fluid dynamics atau lebih terkenal dengan singkatan CFD merupakan tekonolgi simulasi aliran fluida menggunakan komputer yang sudah cukup lama ada dan secara luas digunakan dalam dunia engineering. CFD memungkinkan saintis dan engineer untuk memodelkan dan memprediksi performa aliran dari berbagai macam aplikasi dan kebutuhan selama beberapa dekade. Dan, batasan-batasan dari penggunaan CFD ini sudah mulai bergeser dan semakin cepat seiring dengan berkembangnya kemampuan koputasi. Sebagai contoh, trend terakhir dari cloud computing memberikan akses untuk perusahaan-perusahaan kecil dan konsultan untuk melakukan simulasi CFD ini tanpa biaya hardware dan software yang terkenal cukup mahal untuk CFD ini.

Ventilasi (dikenal demham pergerakan udara memasuki ruangan tertutup) adalah salah satu mekanisme utama dari sistem heating, ventialtion and air conditioning atau HVAC untuk mencapai tujuan dari sistem tersebut yaitu menyediakan kenyamanan termal atau kondisi indoor tertentu. Secara tradisional, peraturan-peraturan intuitif serta pendekatan menggunakan hitungan manual sudah sering digunakan, namun cara-cara ini tidak memiliki margin keamanan hasil perhitungan yang cukup tinggi, bahkan tidak dapat diterapkan sama sekali untuk kasus-kasus dengan model yang unik.

Hasil-hasil yang umumnya diperoleh dari perhitungan tradisional ini adalah pendekatan yang terlalu konservatif, yaitu ukuran atau spesifikasi yang terlalu besar dan mahal, sehingga pada akhirnya meningkatkan biaya investasi pengadaan awal serta konsumsi energi. Sebagai gambaran, fan mengkonsumsi sekitar 13% dari konsumsi energi di Amerika serikat pada ranah komersial dan 6% pada ranah permukiman residensial. CFD hadir untuk menyelamatkan situasi yang rumit ini, memungkinkan untuk memprediksi dari performa ventilasi dengan presisi dengan memodelkan fenomena fisiknya secara langsung, baik kondisi sekitar sistem maupun detail geometri dari sistem.

Pada artikel ini, kita akan membahas sistem ventilasi secara umum dan keuntungan yang dapat diperoleh dengan analisis CFD.

Passive Ventilation

Atau sering dikenal dengan ventilasi natural memanfaatkan fenomena natural, seperti aliran udara dan gaya apung udara, untuk menghasilkan perbedaan tekanan yang menggerakkan air masuk kedalam bangunan. Untuk memungkinkan hal ini, fitur spesial diimplementasikan dalam desain, seperti pembukaan, akumulasi kotak kalor serta exhaust ducts.

Metode CFD merupakan alat yang sangat powerfull untuk memprediksi karakteristik dari sistem ventilasi terbuka, karena dapat secara presisi memodelkan fenomena spesial, seperti misalkan gaya apung udara akibat perbedaan temperatur maupun kelembaban udara. CFD juga dapat digunakan untuk berbagai model geometri dan fitur, sehingga solusi inovatif dapat dianalisis dan divalidasi sebelum pembuatan prototype fisik maupun pembangunan.

Pada contoh kasus di bawah, ventilasi natural pada bangunan mall tiga tingkat disimulasikan menggunakan CFD. Hasil kemudian dibandingkan berdasarkan kode desain standar, pada kasus ini ditemukan bahwa desain ini tidak memenuhi standar tersebut.

CFD HVAC

Sumber: SimScale blog

PERALATAN VENTILASI

Ketika skema ventilasi pasif tidak dapat memenuhi performa yang diinginkan, ventilasi paksa diperlukan untuk memenuhinya. Ventilasi paksa dapat dilakukan dengan pemasangan kipas, blower atau kompresor untuk menghasilkan perbedaan tekanan dan mendorong udara untuk mencapai ruangan yang ditargetkan.

CFD memungkinkan untuk membantu proses dengan dari peralatan rekayasa aliran udara tersebut. CFD dapat digunakan untuk memprediksi performa seperti distribusi tekanan, pola aliran serta kecepatan. Variasi densan dabat kemudian diuji coba dan dibandingkan dengan waktu yang sangat singkat semuanya sesuai dengan cara virtual.

Pada contoh kasus di bawah, performa aerodinamik dari kipas sentrifugal diinvestigasi menggunakan CFD. kurva performa kemudian diplot sehingga area yang dapat ditingkatkan dapat diidentivikasi.

Source: SimScale Blog

Displacement Ventilation

Pada metode ventilasi trandisional, udara masuk yang dikondisikan diletakkan pada puncak ruangan pada kecepatan yang tinggi. Sebaliknnya, pada ventilasi displacement, udara masuk diletakkan dekat dengan lantai dan menggunakan kecepatan yang relatif rendah. Udara panas yang dihasilkan dari penghuni ruangan atau peralatan naik ke atas langit-langit karena gaya apung (thermal plumes), dimana udara ini dikonsolidasikan dan dibuang langsung dari ruangan tanpa sirkulasi.

Aplikasi umum dari cara ini biasa ditemukan pada ruang kelas maupun perkantoran karene meningkatkan kualitas udara. Pada kasus dibawah ini, simulasi CFD digunakan untuk membandingkan ventilasi campuran dan displacement pada bangunan kantor. Hasil berupa distribusi temperatur dan kenyamanan thermal secara lokal divisualisasikan, membuktikan bahwa strategi ventilasi displacement memiliki keunggulan yaitu konsumsi daya yang lebih sedikit dan meningkatkan kualitas udara.

Sumber : SimScale Blog

Jet Fans

Jet fans digunakan untuk mengarahkan dan memperkuat aliran dalam ruangan yang luas. Digunakan dengan mempertimbangkan lokasi udara masuk dan keluar, karakteristik aliran optimal dapat diperoleh pada kondisi yang sulit. Pada kasus di bawah ini, strategi ventilasi digunakan untuk mendorong tingkat kontaminasi pada tempat parkir indoor yang luas serta bertujuan untuk mengeliminasi daerah dengan konsentrasi yang tinggi. Dengan menggunakan CFD, peletakan fan dan performa yang dihasilkan dievaluasi dengan waktu yang sangat singkat dan efisien. Hasil dari simulasi ini membuktikan penurunan kontaminasi hingga 55,1%.

Sumber: SimScale Blog

KODE STANDAR KENYAMANAN TERMAL

Area analisis dengan simulasi CFD yang cukup berguna adalah analisis untuk pemenuhan kode standar tertentu. CFD memungkinkan engineer untuk mengukur variabel-variabel seperti temperatur serta kecepatan aliran pada titik-titik tertentu yang ingin dianalisis pada ruang geometri. Kode kriteria ini dapat diperoleh dengan mudah menggunakan simulasi CFD dan direpresentasikan dan area yang dapat dilakukan peningkatan dapat dengan mudah diidentifikasi. Pada kasus di bawah ini, menggunakan simulasi CFD, kenyamanan thermal pada ruang theater dinilai berdasarkan dua kode standar sebagai berikut

EPBD dan EN 15251

Energy performance of buildings Directive (EPBD) dicanangkan sejak tahun 2002 untuk meningkatkan efisiensi energi dari bangunan. Sebagai bagian dari arahan tersebut, standar EN-15251 dibuat untuk menentukan spesifikasi thermal comfort dari bangunan indoor. Pada kasus dibawah ini, thermal comfort dari bangunan theater dinilai berdasarkan standar EN 15251. Ditemukan bahwa sistem ventilasi bekerja dibawah performa yang dibutuhkan dan beberapa area yang dapat ditingkatkan performanya diindentifikasi.

Sumber: SimScale Blog

ASHRAE 55

The American Society of Heating , Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) mempublikasikan standard 55 “Thermal envoriment conditions for human occupancy (kondisi termal lingkungan untuk penduduk manusia)” sejak tahun 1966. standar ini juga diadopsi oleh badan internasional seperti ISO serta beberapa negera lainya. Pada kasus dibawah ini metrik ASHARAR 55 digunakan untuk membandingkan performa kenyamanan thermal antara dua strategi ventilasi dalam ruangan theater, yang disimulasikan menggunakan CFD.

Desain sistem HVAC anda dengan optimal bersama kami, untuk informasi selengkapnya klik di sini.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang CFD, klik di sini.

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah PT Markom Teknologi Engineering dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

Sumber: SimScale Blog

SUMBER: https://www.hpac.com/fire-smoke/role-cfd-simulation-hvac-system-design

Author: Caesar Wiratama

caesar@aeroengineering.co.id 0815-4806-5205

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *