TUGAS FISIKA BANGUNAN

TEORI PERPINDAHAN PANAS DALAM BANGUNAN

DISUSUN OLEH :

MELIA MAJID (40360)

PRAMASHELLA NUR S. ()

ACINTYA HAPSARI (41040)

JURUSAN TEKNIK ARSITEKTUR DAN PERENCANAAN

WILAYAH DAN KOTA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS GADJAH MADA

2014

1. PENDAHULUAN

Dalam arsitektur, bangunan yang baik adalah bangunan yang tidak hanya estetis,

tetapi juga menimbulkan rasa nyaman bagi penghuninya. Salah satu faktornya adalah

sirkulasi panas yang baik dalam bangunan, bagaimana bangunan dapat beradaptasi dengan

lingkungan dan iklim tempatnya berdiri. Indonesia sendiri merupakan Negara beriklim tropis,

dimana panas matahari terjadi sepanjang tahun, dengan curah hujan yang tinggi.

Menarik untuk diketahui, bagaimana arsitektur vernakular Indonesia mampu

mengontrol jalannya sirkulasi perpindahan panas sehingga tetap terasa nyaman bagi

penghuninya meskipun dengan teknologi dan material yang terbatas. Sedangkan di zaman

yang modern ini, arsitektur sudah ditunjang dengan berbagai teknologi dan material yang

memadahi. Perkembangan zaman tersebut mengakibatkan adanya perbedaan di antara

arsitektur vernakular dan modern dalam menanggapi iklim, khususnya perpindahan panas

pada bangunan. Oleh karena itu, tulisan ini mencoba untuk membandingkan adaptasi

bangunan vernakular (arsitektur Rumah Sade, Lombok) dan bangunan modern dengan

kaitannya dalam perpindahan panas.

2. LANDASAN TEORI

2.1 Teori Perpindahan Panas

Kalor adalah bentuk energi yang dirasakan manusia. Energi mewujudkan

keadaan dimana jumlah energi yang dipindahkan dari manusia dan sekitarnya mencapai

keseimbangan thermal (Weller dan Youle, 1981). Perpindahan panas merupakan sifat

dasar alam sekitar, yaitu Hukum Termodinamika yang berbunyi bahwa kalor berpindah

dari tekanan tinggi menuju ke tekanan yang lebih rendah. Perpindahan panas tersebut

dibagi menjadi tiga mekanisme, yaitu sebagai berikut:

a. Konduksi/ Hantaran

Konduksi ialah perpindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara

permukaan-permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau

menghubungkan permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda

mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan

mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin.

Laju perpindahan panas dinyatakan dalam hukum Fourier (Holman, 2001) sebagai

berikut:

Keterangan : qk = laju perpindahan kalor ( Watt)

k = konduktivitas thermal, merupakan sifat material (W/m.C)

A = luas penampang yang tegak lurus dengan arah laju perpindahan kalor (m2)

dT/dx = Gradien temperatur dalam arah x (C/m),

b. Konveksi/ aliran

Konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat

dengan fluida yang mengalir di sekitarnya dengan menggunakan media penghantar

berupa fluida (cairan/gas). Fluida yang bergerak membawa serta panas molekul-

molekulnya berpindah ke tempat yang baru lalu bercampur dengan molekul yang ada

di sana.

Image source :http://dedylondong.blogspot.com/2012/08/kenyamanan-suhu-dan-faktor-iklim-pada.html

Image source :tekim.undip.ac.id/images/download/PERPINDAHAN_PANAS.pdf

Terdapat dua jenis konveksi, yaitu :

Konveksi Alamiah/ Natural/ Free Convection

Merupakan pergerakan atau aliran energi fluida yang terjadi akibat perbedaan masa

jenis fluida tersebut, serta tidak ada tenaga luar yang mendorongnya. Bila suhu fluida

tinggi, ia akan menjadi lebih ringan dan mulai bergerak ke atas. Contoh konveksi

alamiah yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari adalah sistem ventilasi rumah, serta

aliran asap pada cerobong asap.

Konveksi Paksa/ Forced Convection

Merupakan suatu kejadian dimana fluida dipaksa mengalir ke tempat tertentu oleh

tenaga dari luar, misalnya dengan kipas angin.

Untuk menghitung perpindahan panas akibat konveksi, digunakan hukum

Newton untuk pendinginan, yaitu :

Keterangan : h = koefisien konveksi, dengan satuan W/(m2.K)

A = luas permukaan konveksi

Ts  = suhu permukaan

Tf  = suhu fluida

qkonv = h.A.(Ts-Tf) (watt)

Nilai koefisien konveksi diperoleh berdasarkan eksperimen. Nilainya bergantung pada

semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri permukaan,

sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida.

Image source :https://nurulimantmunib.wordpress.com/tag/hukum-pendinginan-newton/

c. Radiasi/ Hantaran

Perpindahan kalor radiasi adalah pertukaran energi kalor dalam bentuk

gelombang elektromagnet antara dua atau lebih objek pada suhu berbeda, yang

dipisahkan oleh ruang atau perantara lut sinar atau tidak menyerap gelombang kalor.

Straaten (1967) menyatakan bahwa perpindahan kalor dari atap ke ceiling terutama

berlaku secara radiasi, bukan konveksi ataupun pergerakan udara. Radiasi tidak

dipengaruhi oleh pengalih udara meskipun suhu udara boleh dikurangi sedikit karena

pengalih udara.

Cahaya matahari yang jatuh pada bangunan dan menaikkan suhu dalam

ruangan berlaku dalam dua keadaan. Pertama, apabila radiasi matahari mengenai

bagian kulit luar bangunan, energi yang diserap menaikkan suhu permukaan

kemudian menyebabkan panas berpindah ke dalam melalui dinding dan atap. Kedua,

apabila radiasi matahari mengenai jendela, hampir semua energi masuk secara terus

menerus melalui cermin ke dalam bangunan dan terperangkap di sana seperti kesan

rumah cermin (Milne, 1981). Radiasi yang diterima diserap oleh permukaan dinding

yang seterusnya melepaskan radiasi gelombang panjang.

Persamaan umum radiasi adalah Hukum Stefan-Botzmann.

qr= yEAT4

Keterangan : qr = Total energi yang dipancarkan

y = Konstanta Stefan-Botzmann

E = Emisifitas permukaan

A = luas permukaan

T = suhu mutlak derajat kelvin (K)

2.2 Arsitektur Vernakular

Kata vernakular berasal dari bahasa latin vernakulus, yang artinya dalam negeri,

penduduk asli, pribumi; dari verna yang berarti budak pribumi atau rumah buatan

pribumi. Dalam kaidah arsitektur vernakular menunjuk pada tipe arsitektur yang mana

asli dengan waktu atau tempat tertentu.

Sade adalah salah satu dusun di Desa Rembitan, Pujut, Lombok Tengah. Dusun

ini dikenal sebagai dusun yang mempertahankan adat suku Sasak. Salah satu wujud

nyatanya adalah bangunan rumah penduduk Sade. Desa adat Sade telah terbentuk sejak

15 generasi. Tidak diketahui asal muasal nenek moyang masyarakat Sade karena mereka

percaya bahwa sejarah tersebut hanya boleh diketahui oleh para tetua. Pola permukiman

Desa Sade merupakan pola organis yang menyesuaikan kontur. Kondisi geografisnya

berupa lahan perbukitan dengan suhu antara 32-18 derajat Celcius.

2.3 Arsitektur Modern

Arsitektur modern timbul karena adanya kemajuan dalam bidang teknologi yang

membuat manusia cenderung untuk sesuatu yang ekonomis, mudah dan bagus. Hal itu

dapat dilihat dari adanya penemuan – penemuan yang dapat mempercepat produksi dan

menghemat tenaga manusia.

Arsitektur modern adalah suatu istilah yang diberikan kepada sejumlah bangunan

dengan gaya karakteristik serupa, yang mengutamakan kesederhanaan bentuk dan

menghapus segala macam ornamen. Pertama muncul pada sekitar tahun 1900. Pada

tahun 1940 gaya ini telah diperkuat dan dikenali dengan Gaya Internasional dan menjadi

bangunan yang dominan untuk beberapa dekade dalam abad ke 20 ini.

Karakteristik Arsitektur modern pada umumnya adalah :

* Suatu penolakan terhadap gaya lama

* Suatu yang mengadopsi prinsip bahwa bahan dan fungsi sangatlah menentukan

hasil dalam suatu bangunan.

* Suatu yang menyangkut tentang mesin

* Menolak adanya bordiran atau ukiran dalam bangunan.

* Menyederhanakan bangunan sehingga format detail menjadi tidak perlu.

3. PEMBAHASAN

3.1 Perpindahan Panas pada Arsitektur Vernakular

Indonesia memiliki beragam kebudayaan, salah satunya adalah pada keragaman

arsitektur vernakular. Arsitektur vernakular memiliki adaptasi tersendiri dalam

menanggapi iklim tropis Indonesia. Karena belum adanya teknologi, masyarakat pada

masa itu sangat bergantung pada alam sekitar. Salah satunya adalah dalam melihat dan

menerapkan potensi alam untuk adaptasi dalam membangun rumah tinggal mereka.

Agar rumah tinggal mereka nyaman untuk dihuni maka mereka menggunakan cara-cara

tertentu. Salah satu syarat hunian nyaman adalah kenyamanan termal dalam bangunan.

Bahasan ini memfokuskan pada perpindahan panas dalam arsitektur Rumah Sade

terletak di Lombok, Nusa Tenggara Barat.

Pertama, peristiwa radiasi pada Rumah Sade terjadi pada atap bangunan. Atap

bangunan menggunakan bahan alang-alang yang dapat mereduksi panas sinar matahari

pada siang hari dan dapat memberikan kehangatan pada malam hari. Bahan bangunan

yang digunakan adalah bahan-bahan alami yang dapat ditemukan dengan mudah di

dusun mereka.

Atap dengan penutup alang-alangImage source :

https://html1-f.scribdassets.com/3dx5gfq3r43vzbyb/images/7-72b12d1e77.

image source :

https://html1-f.scribdassets.com/3dx5gfq3r43vzbyb/images/6-cf751bee3d.jpg

Menurut Mangunwijaya (1994), daya pantul bahan penutup atap sekitar 20%

untuk menghindari efek silau dan tidak menambah panas pada suhu lingkungan

sekitarnya. Bahan penutup atap yang tebal mampu menyerap panas dan digunakan untuk

menghangatkan ruangan di malam hari yang dingin karena rumah dibangun di daerah

perbukitan yang tinggi. Akibat radiasi matahari dengan tidak dilengkapi bukaan pada

atap maka pada siang hari panas yang meresap melalui atap akan terkumpul di dalam

bangunan. Panas ini akan dimanfaatkan untuk menghangatkan ruang pada malam hari.

Kedua, perpindahan panas terjadi pada lantai Rumah Sade. Keunikan lantai dari

Rumah Sade ini yaitu memanfaatkan campuran tanah, abu bekas jerami yang dibakar,

getah pohon dan terakhir diolesi dengan kotoran kerbau. Campuran ini justru membuat

suhu di dalam rumah tetap terjaga. Misalnya di luar suhu sedang panas maka suhu dalam

rumah tetap sejuk. Jika suhu di luar rumah dingin makan suhu dalam rumah hangat. Hal

ini bisa terjadi karena terdapat kandungan silica pada kotoran kerbau/ sapi. Kandungan

ini yang membuat kotoran tersebut tidak bisa bersenyawa dengan tanah liat yang ada di

dusun Rumah Sade. Maka campuran tersebut pada akhirnya membuat lantai rumah

menjadi tidak lembab. Sampai saat inipun masyarakat Sade masih mengepel lantai

rumahnya dengan kotoran kerbau/ sapi.

Lantai dengan campuran kotoran kerbau pada Rumah Sade

Image source :http://johansobihan.files.wordpress.com/2010/09/02-bagian-dalam-rumah-sasak.jpg

Ketiga, yaitu perpindahan panas secara konveksi serta adaptasinya dalam

Rumah Sade. Pola hunian masyarakat Sade adalah berkelompok, sehingga membentuk

suatu pemukiman dengan rumah-rumah di dalamnya. Suatu pemukiman yang jarak antar

rumahnya tidak diperhitungkan, sehingga berdempetan akan terasa sumpek. Hal ini

dikarenakan aliran fluida berupa angin tidak dapat bersirkulasi secara optimal melalui

celah yang sempit. Tetapi dalam pemukiman Sade, antar rumah diberi jarak yang cukup,

sehingga membantu aliran udara yang berfungsi sebagai ventilasi alami.

Dinding yang terbuat dari anyaman bambu

Image source :https://html1-f.scribdassets.com/3dx5gfq3r43vzbyb/images/7-72b12d1e77.jpg

Detail ventilasi pada anyaman bambu

Image source :http://1.bp.blogspot.com/-yfbW0y_S-MM/T-wT3xQZk5I/AAAAAAAAAFo/WUCkp9dyBeA/s1600/

sgfg.jpg

Rumah Sade menggunakan material anyaman bambu yang dianyam sebagai

dinding bangunan. Penggunaan anyaman bambu sebagai dinding memberikan

keuntungan terhadap sirkulasi udara di dalam ruangan. Celah-celah pada anyaman

bambu dapat menjadi jalan sirkulasi udara sehingga pergantian udara di dalam ruangan

menjadi maksimal. Ventilasi ini cukup untuk membuat ruangan dalam rumah tetap

nyaman walaupun arsitektur Rumah Sade tidak memiliki banyak bukaan.

3.2 Perpindahan Panas pada Arsitektur Modern

Untuk iklim tropis, sinar matahari dianggap sebagai salah satu faktor penyebab

ketidaknyamanan termal. Sebagai panas yang teradiasi, sinar matahari dihalangi dengan

bahan (atap, dinding) untuk menghindari cahaya langsung. Menurut Givoni (1976), atap

adalah komponen bangunan yang sangat terekspos ke elemen iklim. Dampak dari radiasi

matahari pada atap (pemanasan) dan pelepasan panas yang terjadi pada atap, melebihi

bagian manapun dalam sebuah bangunan. Di daerah tropis lembab, atap adalah pemanas

utama dari rumah sementara temperatur indoor dipengaruhi oleh atap.

Bila temperatur ruang atap relatif tinggi dibanding ruang hunian, maka terjadilah

perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi yang akan menaikkan

temperatur ruang hunian. Dalam bangunan modern sekarang ini banyak diterapkan

ventilasi pada atap. Penelitian Surjamanto (2000), mengungkapkan bahwa ventilasi

ruang atap cukup berpengaruh untuk mendinginkan ruang atap. Dari ruang atap yang

temperaturnya berkurang, diharapkan transfer panas ke interior juga berkurang.

Seperti yang telah disebutkan di atas, radiasi sinar matahari merupakan sumber

utama yang memicu peningkatan suhu dalam bangunan. Namun, perkembangan

teknologi sekarang sudah sangat membantu arsitektur modern untuk mengurangi radiasi

matahari pada bangunan. Salah satu cara untuk mengurangi silau matahari pada

bangunan adalah penggunaan overhang sebagai shading.

Image source:repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/.../sti-jul2005-%20(26).pdf

Salah satu cara alternatif untuk mengurangi perpindahan kalor pada atap adalah

dengan insulasi. Straaten (1967) mengatakan bahwa insulasi di iklim panas diperlukan

bagi atap ringan untuk memastikan kalor yang berlebihan bisa dikurangi pada musim

panas, dan pada tahap tertentu juga mengurangi kehilangan panas pada musim sejuk.

Apabila atap diberi insulasi yang baik, maka akan terbina perpindahan panas yang baik.

Image source :

http://www.google.co.id/imgres?imgurl=http%3A%2F%2F1.bp.blogspot.com

Pada bangunan salah satu peristiwa konduksi terjadi pada dinding yang terkena

radiasi sinar matahari. Aliran panas terjadi antara dinding dengan udara di luar maupun

di dalam ruangan. Udara panas di luar yang bersentuhan dengan dinding akan

melepaskan panasnya dan berpindah ke dinding tersebut, sebaliknya dinding tersebut

akan menyerap panas yang dilepaskan oleh udara. Dinding pada bangunan modern

kebanyakan terbuat dari bata dengan ketebalan sekitar 15 cm. Material bata merupakan

isolator panas sehingga udara panas dari luar tidak terasa dari dinding bagian dalam.

Image source :http://yudistywn.files.wordpress.com/2009/11/1-17.png?w=480

Pada arsitektur modern, berbagai cara dilakukan untuk mendapatkan sirkulasi

udara yang baik dan optimal supaya kenyamanan termal dapat tercapai. Ada dua

pendekatan yang bisa ditempuh untuk mendapatkannya, pertama adalah pendekatan

arsitektural dan yang kedua adalah pendekatan secara mekanis. Dalam pendekatan

arsitektural ada beberapa hal yang sudah mulai diterapkan pada arsitektur modern ini.

Misalnya adalah memposisikan arah orientasi bangunan. Dalam iklim tropis seperti ini

bangunan lebih baik dibangun dengan orientasi utara-selatan, dan diarahkan pada arah

melintang angin. Hal ini selain mengurangi panas matahari juga bisa mengoptimalkan

angin yang masuk dalam bangunan sehingga bangunan akan lebih sejuk.

Selain itu untuk mengoptimalkan sirkulasi udara di dalam ruangan, bangunan

biasanya menerapkan sistem ventilasi silang/ cross ventilation. Cross ventilation adalah

dua bukaan yang letaknya saling berhadapan satu sama lain di dalam ruangan. Ventilasi

ini bekerja dengan memanfaatkan perbedaan zona bertekanan tinggi dan rendah yang

tercipta oleh udara. Perbedaan tekanan pada kedua sisi bangunan akan menarik udara

sejuk memasuki bangunan dari satu sisi dan mendorong udara panas keluar ruangan dari

sisi lain. Ventilasi silang memungkinkan udara mengalir dari dalam ke luar dan

sebaliknya tanpa harus mengendap terlebih dahulu di dalam ruangan, sehingga udara

yang masuk dari jendela akan langsung dialirkan keluar oleh jendela yang ada di

hadapannya dan berganti dengan udara baru. Maka dari itu sirkulasi udara di dalam

ruangan pun lebih optimal dan ruangan terasa lebih sejuk.

Ventilasi silang

image source :

http://goo.gl/OGE1T6

Dalam pendekatan mekanis, arsitektur modern saat ini banyak menggunakan

kipas angin maupun air conditioning. Penggunaan teknologi seperti ini merupakan

contoh aliran forced convection. Cara kerja kipas angin sebetulnya sederhana, kipas

angin hanya akan memaksa udara panas untuk keluar dari ruangan melalui ventilasi

udara. Sehingga udara di dalam ruangan akan terasa lebih sejuk. Air conditioning

merupakan alat yang banyak sekali digunakan dalam bangunan modern. AC berfungsi

untuk mengkondisikan udara sesuai kebutuhan ruangan tersebut. Udara panas dalam

ruangan akan diserap oleh kipas yang ada pada komponen ac, setelah melalui proses

yang terjadi di dalam ac udara dingin pun lalu dikeluarkan dan disalurkan ke seluruh

ruangan.

Image source :

http://oc.its.ac.id/ambilfile.php?idp=608

4. KESIMPULAN

Pada kesimpulannya, masyarakat zaman dahulu dan masyarakat modern sama-

sama menginginkan kenyamanan termal untuk hunian mereka. Namun karena adanya

perbedaan teknologi yang disebabkan perkembangan zaman, masyarakat zaman dahulu

dan masyarakat modern berusaha mendapatkannya dengan cara yang berbeda. Arsitektur

vernakular masih menggunakan material-material alami yang terdapat di sekitar mereka

untuk membangun rumah. Contohnya Masyarakat suku Sade menggunakan alang-alang

sebagai penutup atap yang dinilai mampu menyerap radiasi surya untuk menyimpan

panas yang digunakan pada malam hari. Pada bagian dinding Rumah Sade, masyarakat

memanfaatkan anyaman bambu untuk memaksimalkan sirkulasi udara. Untuk lantai

rumah, masyarakat suku Sade memanfaatkan kotoran kerbau sebagai dasar bangunan

untuk mempertahankan suhu dalam ruangan. Hal-hal di atas termasuk local genius dalam

menanggapi iklim khususnya perpindahan panas dalam bangunan.

Sedangkan pada masa kini, material sudah sangat bervariasi diakibatkan oleh

perkembangan teknologi dan pengetahuan yang semakin maju. Pengetahuan ini

dimanfaatkan dalam mengusahakan kenyamanan termal pada bangunan. Contoh adaptasi

bangunan modern terhadap iklim adalah penggunaan material ventilasi pada atap, dan

cross-ventilation agar sirkulasi udara maksimal. Penggunaan insulasi juga diterapkan

agar mengurangi konduksi panas pada bangunan. Untuk mendapatkan kenyamanan yang

lebih, bangunan juga dilengkapi air conditioner dan kipas angin untuk mengkondisikan

suhu ruangan.

5. DAFTAR PUSTAKA

Frick, Heinz, Antonius Ardiyanto, dan AMS Darmawan. 2008. Ilmu Fisika Bangunan.

Yogyakarta: Kanisius.

Mangunwijaya YB, 1994. Pengantar Fisika Bangunan. Jakarta: Djambatan

Sukawi, Sukawi (2010) ADAPTASI ARSITEKTUR SASAK TERHADAP KONDISI

IKLIM LINGKUNGAN TROPIS. Jurnal Berkala Teknik, 1 (6).

http://sosbud.kompasiana.com/2013/12/29/-lantai-dicampur-kotoran-kerbau-tidak-bau-

kok-622370.html

http://frida1201.wordpress.com/2011/08/17/bata-tlethong-sapi-bata-ramah-lingkungan/

http://haries-lombokcity.blogspot.com/