Definisi dan Konsep Dasar

Cooling load atau yang biasa disebut beban pendinginan dalam Bahasa Indonesia dapat didefinisikan sebagai jumlah panas yang harus dikeluarkan dari suatu ruangan untuk menjaga suhu ruanga tersebut sehingga sesuai dengan yang diinginkan [1]. Secara garis besar, beban pendinginan diklasifikasikan menjadi dua, yaitu beban kalor yang masuk dari luar ruangan ke dalam ruangan (eksternal) dan beban kalor yang bersumber dari dalam ruangan itu sendiri (internal).

1. Beban eksternal: beban ini termasuk panas yang masuk dari luar bangunan seperti radiasi matahari yang masuk melalui jendela/kaca, beban transmisi melalui dinding luar dan atap, beban infiltrasi dan beban ventilasi.
2. Beban internal: sumber panas internal mencakup panas dari segala peralatan Listrik, pencahayaan, dan aktivitas manusia di dalam ruangan. Penggunaan peralatan elektronik dan sistem pencahayaan yang intensif dapat meningkatkan beban pendinginan secara signifikan [2].

Saat sistem HVAC beroperasi, laju pembuangan panas dari suatu ruangan adalah tingkat ekstraksi panas pada saat itu. Konsep beban pendinginan desain muncul dari kebutuhan untuk menentukan sistem HVAC yang mampu mencapai kondisi tertentu di dalam ruangan pada situasi ekstrem. Ruang yang dilengkapi oleh sistem HVAC umumnya disebut themal zone. Biasanya, batasan dalam perhitungan beban pendinginan terkait dengan constant interior dry-bulb temperature, atau bahkan dapat juga melibatkan faktor-faktor lebih kompleks, seperti kenyamanan termal. Definisi kondisi ekstrem dapat bervariasi, tetapi umumnya untuk gedung perkantoran, kondisi tersebut mencakup hari cerah dengan sinar matahari langsung, wet-bulb and dry-bulb temperatures, ketinggian bangunan, serta penggunaan peralatan dan lampu yang intens [3]. Kondisi desain untuk menentukan beban pendinginan bersifat subjektif, namun setelah disepakati, beban pendinginan desain mencerminkan tingkat ekstraksi panas maksimum dalam kondisi tersebut.

Faktor yang mempengaruhi

Berbagai faktor memengaruhi beban pendinginan, antara lain:

1. Insulasi Bangunan: Kualitas insulasi mempengaruhi seberapa banyak panas yang dapat masuk atau keluar dari bangunan. Insulasi yang baik mengurangi cooling load dengan mencegah panas dari luar memasuki ruangan dan mempertahankan suhu dalam ruangan.
2. Ukuran dan Orientasi Jendela: Jendela yang besar atau orientasi yang buruk dapat meningkatkan beban pendinginan karena radiasi matahari langsung. Penggunaan film jendela atau kaca dengan lapisan khusus dapat mengurangi efek ini.
3. Peralatan dan Aktivitas: Aktivitas di dalam ruangan, seperti jumlah orang yang hadir dan penggunaan peralatan elektronik, berkontribusi pada peningkatan beban pendinginan. Setiap peralatan menghasilkan sejumlah panas yang harus dihilangkan oleh sistem pendingin.

Metodologi Perhitungan

ASHRAE telah memberikan overview terkait metode perhitungan beban pendinginan yang dapa didekati dengan tiga model pendekatan, sebagai berikut [3]:

a. Models and Reality

Model yang lengkap dan mendetail untuk semua proses perpindahan panas dalam suatu gedung akan sangat kompleks dan tidak praktis untuk komputasi. Namun, para peneliti dan praktisi fisika bangunan sepakat bahwa penyederhanaan dalam pemodelan adalah wajar dan dapat sesuai dalam berbagai situasi. Salah satu penyederhanaan paling mendasar adalah dengan menganggap udara di dalam ruangan sebagai ‘well-stirred’, yaitu memiliki suhu yang hampir seragam di seluruh ruangan akibat pencampuran. Asumsi ini cukup valid dalam berbagai kondisi. Berdasarkan asumsi ini, memungkinkan untuk mengembangkan model dasar untuk berbagai perpindahan panas dan proses termodinamika yang terjadi.

b. The Heat Balance Method

Sumber: [3]

Dalam metode ini terdapat empat proses utama, yakni:

1. Outside face heat balance

2. Wall conduction process

3. Inside face heat balance

4. Air heat balance

Pejelasan terkait metode ini dapat dilihat dari gambar diatas. Proses ini dibagi menjadi dua bagian: bagian yang mengalir masuk dan bagian yang mengalir keluar. Kedua bagian ini berperan dalam keseimbangan panas di dalam dan di luar permukaan. Permukaan transparan, tentunya juga memungkinkan adanya komponen surya yang ditransmisikan, yang mempengaruhi keseimbangan panas di dalam ruangan. Panah berujung ganda secara skematis menunjukkan lokasi pertukaran panas, sementara panah berujung tunggal menunjukkan interaksi satu arah. Perumusan neraca panas melibatkan penjelasan matematis dari empat proses utama, yang digambarkan sebagai balok bulat dalam ilustrasi di atas.

c. The Radiant Time Series Method

Sumber: [3]

RTSM adalah metode yang relatif baru untuk menghitung beban pendinginan. Metode ini diambil langsung dari HBM dan secara efektif menggantikan berbagai metode penyederhanaan sebelumnya, seperti metode fungsi transfer (TFM), metode CLTD/SCL/CLFM dan metode TETD/TAM. RTSM dikembangkan untuk menyediakan metode yang akurat tanpa memerlukan perhitungan berulang dari metode lama. Selain itu, faktor respons periodik dan faktor waktu radiasi dapat terlihat jelas dengan metode ini; ketika diplot, RTSM memungkinkan pengguna untuk secara visual mengamati efek redaman dan penundaan waktu pada perolehan panas konduksi dan respons zona.

Referensi

[1]         J. Kreider, P. Curtiss, and A. Rabl, Heating and Cooling of Buildings Design for Efficiency, Second. in Mechanical Engineering Series. New York: CRC Press, 2010.

[2]         Y. Katsigiannis, A. Kotroni, and C. Zerefos, “Cooling Load Calculations for High-Performance Buildings,” Energy Reports 7, 2021.

[3]         J. D. Spitler, Load calculation applications manual, Second edition. I-P edition. Atlanta, GA: ASHRAE, 2014.