Thermal Comfort (part I): Kenyamanan termal

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Thermal comfort atau kenyamanan termal didefinisikan sebagai kondisi dimana pikiran mengekspresikan kepuasan (nyaman) terhadap lingkungan sekitanya. Thermal comfort ini sangat erat kaitannya dengan energi. Apa kaitannya?

Konsumsi energi yang paling besar untuk bangunan ber-AC adalah pada sistem AC itu. Untuk bangunan yang non residential, porsi energi untuk AC bisa mencapai 60-70% dari total yang digunakan. Sering kali penerapan sistem AC pada bangunan di dasarkan pada anggapan bahwa semakin dingin semakin baik atau harus mencapai temperatur yang cukup rendah (missal 16 ^oC). Padahal tubuh manusia sebenarnya cukup nyaman dengan kondisi yang tidak seperti itu. Pendinginan yang terlalu besar inilah yang membuat konsumsi energi menjadi semakin besar, ironisnya hal tersebut sebenarnya tidak diperlukan. 

Dengan mengkondisikan ruangan sehingga mencapai kondisi thermal comfort sebenarnya sudah cukup. Kondisi thermal comfort mungkin bisa berbeda-beda untuk setiap orang, oleh karenanya thermal comfort biasanya ditunjukan dengan range tertentu. 

Tubuh manusia sebenarnya dapat di analogikan dengan sebuah engine (mesin) yang menggunakan energi kimia untuk menjadi kerja dan kalor. Begitu pula tubuh manusia, menggunakan makanan (energi kimia) untuk mengasilkan kerja (gerakan) dan juga panas. Prosesn konversi energi dari makanan ke kerja dan kalor dinamakan metabolism. Pengetahuan tentang metabolisme mempengaruhi perhitungan beban pendinginan (cooling load) untuk ruangan ber AC.

Seperti halnya engine, tubuh manusa juga mengenal efisiensi yaitu perbandingan antara kerja dengan energi input. Efisiensi  tubuh manusia dapat bervariasi dari 0% hingga 15%-20%. Laju energi kalor yang dihasilkan oleh manusia juga bervariasi, misalnya untuk kegiataan duduk kira-kira menghasilkan 100W. Lain halnya dengan aktivitas fisik yang cukup berat dapat mencapai 2000W.

Energi kalor yang dihasilkan oleh tubuh ini bukan tidak bermanfaat, akan tetap memang kita tidak/kurang bisa memanfaatkannya untuk kerja. Namun bagaimanpun energi kalor ini sangat penting untuk menjaga temperatur tubuh manusia. 

Ada dua macam temperatur tubuh manusia, yaitu skin temperature (temperatur kulit) dan core body temperatur (temperatur inti tubuh). Core temperature adalah temperatur operaso dari organ. Jika core temperatur berada si sekitar 35 ^oC sampai dengan 39 ^oC maka tubuh akan masih merasa nyaman, kalau pun tidak nyaman mungkin hanya sedikit. Jika lebih rendah dari 35 ^oC atau lebih tinggi dari 39 ^oC maka tubuh akan mengalami penurunan efisiensi yang cukup besar. Jika lebih rendah dari 31 ^oC atau lebih dari 43 ^oC, hal ini harus waspada karena dapat mematikan.

Dasar Perhitungan Termoelektrik (Thermoelectric)/Elemen Panas Dingin

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Seiring dengan berkembangnya pengetahuan tentang material semikonduktor, maka material pembuat modul termoelektrik sekarang merupakan bahan semikonduktor yang terdiri dari tipe p dan n, gambar. Kedua tipe ini merupakan satu pasang yang dinamakan pelet. Modul termoelektrik terdiri dari sejumlah pelet untuk meningkatkan daya listrik yang dihasilkan atau penyerapan/pembuangan kalor yang lebih baik.

Skema Modul Termoelektrik

Pada Termoelektrik, jika terdapat perbedaan temperatur antar dua sambungan, maka akan dihasilkan tegangan listrik atau efek Seebeck, secara matametis dapat ditulis:

 

Dimana V adalah tegangan, α adalah koefisien Seebeck (V/m), dan ΔT adalah perbedaan temperatur antara dua sambungan (K).

Peristiwa sebaliknya, perbedaan temperatur akan dihasilkan jika ada arus yang mengalir, yaitu efek Peltier, dapat ditulis:

 

 

Dimana q adalah besarnya kalor yang diserap atau dibuang tergantung sambungan (dalam satuan W), I adalah arus yang mengalir dalam sambungan termoelekktrik (dalam satuan A) dan T adalah temperatur pada sambungan baik panas maupun dingin (Dalam satuan K).  Sambungan yang temperaturnya menajdi dingin artinya menyerap kalor, sedangkan sambungan yang menjadi panas berarti membuang kalor.

Pada saat termoelektrik terlaliri arus listrik, maka terdapat pebedaan temperatur. JIka terdapat perbedan temperatur maka terjadi efek Seebeck, oleh karena itu tegangan pada termoelektrik saat ada arus listrik yang mengalir menjadi

Dimana I adalah arus yang mengalir, R adalah hambatan listrik dari modul termoelektrik.

Kemudian, karena adanya perbedaan temperatur, maka terjadi perpindahan kalor. Karena perpindahan kalor secara konduksi sangat dominan, maka pada modul termoelektrik diasumsikan bahwa konveksi dan radiasi antara kedua sisi modul diabaikan. Oleh karenanya dapat dituliskan :

Dimana q_cond adalah besarnya perpindahan kalor konduksi, θ adalah hambatan termal, dan ∆T adalah perbedaan temperatur antara kedua sisi modul termoelektrk.

Selain itu ketika arus listrik melaui suatu bahan, maka selalu ada kalor yang di hasilkan yang dinamakan joule heating yang besarnya:

Untuk menghitung besarnya kalor yang diserap (di sisi dingin) dan kalor yang diemisikan (di sisi panas) maka semua energi (termal) yang di sebutkan di atas harus diperhitungkan. Oleh Karena itu persamaan kesetimbangan energi pada penyerapan kalor mejadi:

Dapat dilihat pada persaamaan di atas efek peltier bernilai yang positif karena inilah menyerap kalor. Kemudian konduksi bernilai negatif karena kalor berpindah dari sisi panas ke sisi dingin. Joule heating juga mengurangi efek peltier ini karena joule heating selalu menghaslkan panas. Pada bagian joule heating besarnya dibagi dua karena dianggap total hambatan pada modul termoelektrik adalah R, sedangkan pada termoelektrik terdapat dua sisi sehingan ½ R berada di sisi dingin dan ½ R lainnya berada di sisi panas.

Untuk persamaan energi di sisi yang panas, energi yang diemisikan dapat dituliskan sebagai berikut:

Dapat kita lihat pada persamaan ini bahwa efek peltier bernilai positif karena menghasilkan kalor, konduksi bernilai negatif karena kalo berpindah dari sisi panas ke sisi dingin, dan joule heating bernilai positif karena selalu menghasilkan kalor.

Fenomena penyerapan dan pembuangan kalor pada termoelektrik merupkan salah satu sistem pompa kalor, dimana kalor dapat dipaksa mengalir dari temperatur yang rendah ke temperatur yang lebih tinggi dengan memberikan kerja (energi) ke dalam sistem, yaitu daya listrik. Oleh karenanya berlaku persamaan:

  

Modul termoelektrik biasanya terdiri dari banyak  pasangan material yang berbeda yang disebut dengan pelet. Sjejumlah N pelet ini disusun secara seri dalam hal rangkaian listrik dan paralel dalam perpindahan kalor. Oleh karena itu total dari koefisien Seebeck, hambatan listrk dan hambatan panasnya adalah:

  

Figure of merit  merupakan parameter yang menunjukkan seberapa bagus sebuah termolektrik modul. Figure of merit ini berbanding lurus denga kuadrat koefisien Seebeckn dan hambatan pansnya, tetapi berbanding terbalik dengan hambatan listriknya. Oleh karena itu figure of merit suatu termoelektrik dapat dihtung dengan:

Jual Termoelektrik