Susan - 3211204004

DOSEN PEMBIMBING:Ir. I Gusti Ngurah Antaryama, Ph.D

Dr. Ir. Vincentius Totok Noerwasito, MT

SIDANG TESIS

BAB I. PENDAHULUAN

LATAR BELAKANGTeori : “Producing electricity; role of a building element, enhance and satisfy a building image; innovative architectural, engineering design”

(Roberts and Guariento, 2009: 11)

Empiris : Terintegrasi, add-on, form giver(Roberts, Simon, 2009: 11 ;Mehleri dkk, 2010)

BIPV

FOLDING

Orientation

Form giver Multiplicity

Tilt angle & Orientation angle

The area of the cells

(Roberts, 1991: 21)

(Roberts, 1991: 21)

(Crosbie & Rajchman, 2004: 36)

(Crosbie & Rajchman, 2004: 35)

PERNYATAAN PERMASALAHAN

“Integrasi dari konsep arsitektur bidang lipat dan sistem panel surya diharapkan dapat menciptakan konfigurasi BIPV yang optimal, baik dalam menerima radiasi matahari maupun sebagai pemberi bentuk pada bangunan”

PERTANYAAN PENELITIAN

1. Berapa besar radiasi matahari didapat oleh konfigurasi dinding dan atap bidang lipat yang terintegrasi dengan panel surya?

2. Bagaimana konfigurasi orientasi, posisi dan sudut fasade bidang lipat yang optimal dalam menerima radiasi matahari untuk kerja panel surya dalam sistem BIPV?

BAB II. KAJIAN PUSTAKA

PV CELLS FACTORS

EXTERNAL FACTOR

Solar Radiation

PV Cell Temperature

PV Cell Amount in a Modul

Silikon Types and Colors

BIPV FACTORSBuilding Form

Environment Shading – Self Shading

Tilt Angle and Orientation Angle Combination

Proportion of transparant and opaque

PV Cells Total Area

Modul Efficiency

(Szokolay, 2004; Givoni, 1998; Lechner, 2009; Satwiko, 2005; McMullan, 2007)

(Roberts, 1991: 25; Geun Young Yun, 2006: 392; Armstrong, 2010: 1493)

(Roberts, 1991: 26-27)

(Roberts, 1991: 28; Roberts danGuariento, 2009: 28; Armstrong, 2010:

1489)

(Bonifacius, 2012: 226)

(Urbanetz, dkk, 2011: 2112)

(Urbanetz, Jair, dkk, 2011: 2111)

(Mehleri, 2010: 2470; Hussein, 2004: 2450; Martin dan Ruiz, 2000)

(Geun Young Yun, 2006: 385)

(Roberts, 1991: 27)

Surabaya’s Sunpath (sumber: http://www.jaloxa.eu/resources/dayligh

ting/docs/sunpath_07_south.pdf, diunduh 20 Maret 2012)

Sudut Pengangkatan dan Orientasi Optimal (Hussein, H.M.S, dkk, 2004: 2450)

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN

PARADIGMA Post-Positivism

METODE Eksperimental dengan Simulasi sebagai alatnya

Pretest Treatment Posttest

Konfigurasi Bangunan Penerima Panas(Markus&Morris, 1980).

1. Konfigurasi atap bidang lipat berdasar sudut altitude matahari, interval 10°-15º

2. Konfigurasi dinding bidang lipat berdasar sudut altitude dan azimuth matahari, interval 10°-15º

3. Konfigurasi kombinasi atap dan dinding bidang lipat

1. Variasi konfigurasi atap bidang lipat.

2. Variasi konfigurasi dinding bidang lipat.

3. Konfigurasi arsitektur bidang lipat optimal.

8.4m 8.4m

67.2m

VARIABEL VARIABEL BEBAS VARIABEL TERIKAT

Bentuk sebagai konsekuensi sudut pengangkatan dan

sudut orientasi

Besar radiasi matahariditerima/bangkitan energi dan keseragaman penerimaannya

OFFICE BUILDINGPOPULASI

FASADE (EMPAT DINDING DAN SATU ATAP), MID-RISE BUILDING OFFICE, SURABAYA

SAMPEL

BESAR RADIASI MATAHARI DITERIMA DAN KESERAGAMAN PENERIMAAN OLEH KONFIGURASI BENTUK ARSITEKTUR BIDANG LIPAT YANG TERINTEGRASI DENGAN PANEL SURYA

SUBYEK DAN OBYEK PENELITIAN

SUN PATH

PowerBell

Hussein, dkk, 2004: 2443

Mehleri, 2010: 2473

De Chiara, 2001

Markus&Morris, 1980; Kohn&Katz, 2002)Variasi Permodelan:•Model dasar•TILT ANGLE – ALTITUDE – dinding dan atapORI ANGLE – AZIMUTH – dinding•INTERVAL 10°-15°•MODUL PANEL SURYA 36 sel•PELETAKAN PANEL SURYA pada kedua sisi bidang lipat•PELETAKAN PANEL SURYA di atas ketinggian horizon manusia berdiri (1,74m)

RANCANGAN EKSPERIMEN

Seleksi Permodelan: Luas Maksimal atau Sudut Optimal

RANCANGAN EKSPERIMEN

Kombinasi Permodelan

RANCANGAN OPTIMASI

Batas Optimasi:• Kebutuhan energi bangunan

kantor: 240 kWh/m2/tahun (Marzuki dan Rusma, 2012: 187)

Total Kebutuhan Energi: 270.950,4 kWh/tahun

• Substitusi Energi Fosil >7% (Fauzi dan Satria, 2008: 13)

• Keseragaman penerimaan radiasi: 80%

(Mehleri, 2010: 2473)

OPTIMASI Gradient Diagram (Noerwasito, 2009)

• Radiasi Matahari/Bangkitan Energi Listrik

• Keseragaman penerimaan radiasi

KRITERIA OPTIMASI

BATAS OPTIMASI

BAB IV. EKSPERIMEN DAN PEMBAHASAN

Konfigurasi Atap Bidang Lipat

ASPEK KINERJA

Hasil: • Atap orientasi Barat-Timur (tilt 46°) menerima radiasi terbesar• Sejalan dengan teori dari Krishan dkk, 2001: 108; Bonifacius, 2012: 45, dan hasil dari Archipak 5.1

Hasil:• Atap orientasi Barat-Timur (tilt 46°) memiliki keseragaman penerimaan radiasi terbesar• Sejalan dengan teori dari Koenigsberger, 1973: 105; Brown, 1990: 104; Archipak 5.1

Besar Penerimaan Radiasi

Keseragaman Penerimaan Radiasi

Optimasi

Ab4• Nilai radiasi diterima: 229.512,80 kWh/tahun• Efisiensi panel surya: 12,38%• Daya Listrik: 28.413,68 kWh/tahun• 10,5% dari kebutuhan (>7%)

Ab4, At4, Au4, As4• Prosentase keseragaman:

84,22% - 98,83%

Radiasi Matahari / Bangkitan Energi Listrik

Keseragaman

Au4 As4 At4 Ab4

Konfigurasi Dinding Bidang Lipat

ASPEK KINERJA

Hasil: • Dinding Barat dengan bidang lipat menghadap Utara-Selatan (ori 44°) menerima radiasi terbesar• Sejalan dengan teori dari Bonifacius, 2012: 42; Lechner, 2001; Martin dan Ruiz, 2000

Hasil:• Dinding Utara (bidang lipat menghadap Barat-Timur , ori 46°) memiliki keseragaman penerimaan radiasi terbesar• Sejalan dengan teori dari Koenigsberger, 1973: 105; Brown, 1990: 104; Archipak 5.1

Besar Penerimaan Radiasi

Keseragaman Penerimaan Radiasi

Optimasi

•Nilai radiasi diterima: 893.274,01 kWh/tahun•Efisiensi panel surya: 12,38%•Daya Listrik: 110.587,32 kWh/tahun•40,8% dari kebutuhan (>7%)•Pencahayaan (40%) atau Penghawaan (30%)

Du4, Dt10, Db1, Db9• Prosentase keseragaman:

94% - 100%

Radiasi Matahari / Bangkitan Energi Listrik

Keseragaman

Db9

Du4

Dt10 Db1 Db9

Konfigurasi Arsitektur Bidang Lipat

ASPEK KINERJA

Besar Penerimaan Radiasi

Keseragaman Penerimaan Radiasi

Hasil: • Kombinasi Ab4-Db9 menerima radiasi terbesar• Sejalan dengan teori dari Krishan dkk, 2001: 108; Bonifacius, 2012:

45, Bonifacius, 2012: 42; Lechner, 2001; Martin dan Ruiz, 2000, dan hasil dari Archipak 5.1

Hasil: • Kombinasi Ab4-Du4 memiliki keseragaman penerimaan

radiasi terbesar• Sejalan dengan teori dari Koenigsberger, 1973: 105; Brown,

1990: 104; Archipak 5.1

Optimasi

•Nilai radiasi diterima: 1.122.786,81 kWh/tahun

•Efisiensi panel surya: 12,38%•Daya Listrik: 139.001,01 kWh/tahun•51,3% dari kebutuhan (>7%)•Pencahayaan (40%) atau Penghawaan (30%)

•Semua kombinasi atap dan dinding bidang lipat luas maksimal•Prosentase keseragaman: 89,71% - 99,42%

Radiasi Matahari / Bangkitan Energi Listrik

Keseragaman

Ab4-Db9

Parameter Surface to Volume

ASPEK DESAIN

“S/V besar – penerimaan radiasi besar“(Markus & Morris, 1980: 390)

• Teori tidak berlaku untuk konfigurasi atap bidang lipat• Konfigurasi luas maksimal – S/V kecil – penerimaan

radiasi lebih besar, lebih seragam

Prosentase P/S terbesar tidak terjadi pada konfigurasi dengan S/V tertinggi, nilai S/V tertinggi: 35°, 60°, 37°, dan 35°

S/V besar karena:•Pada model dasar yang sama, jumlah lipatan lebih

banyak - permukaan lebih luas

Prosentase luas panel surya kecil karena:•Sudut yang lebih kecil daripada sudut konfigurasi luas

maksimal•Satu sisi bidang lipat semakin kecil• Integrasi dengan panel surya tidak optimal

ATAP

“S/V besar – penerimaan radiasi besar“(Markus & Morris, 1980: 390)

•Teori tidak berlaku untuk konfigurasi dinding bidang lipat•Konfigurasi luas maksimal – S/V kecil –penerimaan radiasi lebih besar dan lebih seragam

Prosentase P/S terbesar tidak terjadi pada konfigurasi dengan S/V tertinggi, nilai S/V tertinggi: -50°, -54°, dan 54°

S/V besar karena:•Pada model dasar yang sama, jumlah lipatan lebih

banyak - permukaan lebih luas

Prosentase luas panel surya kecil karena:•Sudut yang lebih kecil daripada sudut konfigurasi luas

maksimal•Satu sisi bidang lipat semakin kecil• Integrasi dengan panel surya tidak optimal

DINDING

“S/V besar – penerimaan radiasi besar”(Markus & Morris, 1980: 390)

•Teori tidak berlaku untuk konfigurasi arsitektur bidang lipat•Konfigurasi luas maksimal – S/V kecil –penerimaan radiasi lebih besar dan lebih seragam

Prosentase P/S terbesar tidak terjadi pada konfigurasi dengan S/V tertinggi, nilai S/V tertinggi: kombinasi atap 35° dan dinding -50°

S/V besar karena:•Pada model dasar yang sama, jumlah lipatan lebih banyak - permukaan lebih luas

Prosentase luas panel surya kecil karena:•Sudut yang lebih kecil daripada sudut konfigurasi luas maksimal•Satu sisi bidang lipat semakin kecil•Integrasi dengan panel surya tidak optimal

ARSITEKTUR

Parameter Derajat Kekompakan

ASPEK BENTUKAN

ATAP:•Tidak berhubungan dengan nilai penerimaan radiasi matahari•Treatment bidang lipat pada atap: keliling dan luas tetap• 0,4769

DINDING:•Tidak berhubungan dengan nilai penerimaan radiasi matahari•Derajat kekompakan tertinggi: -50°, -54°, dan 54°. •Jumlah lipatan >, keliling > •Satu sisi bidang lipat <, integrasi panel surya <

KOMBINASI:•Tidak berhubungan dengan nilai penerimaan radiasi matahari•Derajat kekompakan tertinggi = penerima radiasi tertinggi, integrasi dengan panel surya <•Penerima radiasi tertinggi, derajat kekompakan <, integrasi dengan panel surya lebih maksimal

PARAMETER S/V• Prosentase luas panel surya terhadap luas

seluruh permukaan tidak menunjukkan hubungan dengan nilai S/V

• Nilai penerimaan radiasi matahari tidak menunjukkan hubungan dengan nilai S/V

• Penerima radiasi terbesar:nilai S/V <, prosentase luas panel surya >

PARAMETER DERAJAT KEKOMPAKAN• Nilai derajat kekompakan tidak

menunjukkan hubungan dengan nilai penerimaan radiasi matahari

• Pada berbagai konfigurasi atap semua nilainya sama

• Penerima radiasi terbesar pada dinding dan arsitektur bidang lipat:nilai derajat kekompakan <, integrasi panel surya >

ATAP DINDING ARSITEKTUR

Penerima Radiasi Terbesar Konfigurasi Luas Maksimal

Konfigurasi Luas Maksimal

Konfigurasi Luas Maksimal

Prosentase 20-48%> 25-56% > 30,22% >

Keseragaman Penerimaan 84,22%-98,83% 94%-100% 96,42%

Konfigurasi Optimal Ab4 (46°)98,83%10,5%

Db9 (44°)94%40,8%

Ab4-Db996,42%51,3%

ANALISA PARAMETER BENTUKAN

ANALISA PENERIMAAN RADIASI MATAHARI

BAB V. KESIMPULAN

KESIMPULANPenetapan beberapa asumsi:

Temperatur, jumlah sel, tipe dan warna silikon, efisiensi modul, pembayangan

Hasil Penelitian:Penerimaan radiasi matahari lebih besar pada arsitektur berbidang lipat

1. RUMUSAN KONFIGURASI

OPTIMAL

ATAP BARAT-TIMUR: radiasi matahari harian (Krishan, 2001; Bonifacius, 2012; Koenigsberger, 1973: Brown, 1990)

DINDING BARAT: radiasi matahari landai, musiman (Bonifacius, 2012; Lechner, 2001; Martin dan Ruiz, 2000; Koenigsberger, 1973: Brown, 1990)

KESIMPULAN

2. BESAR PENERIMAAN

RADIASI MATAHARI

Atap Ab4, Dinding Db9, Arsitektur Ab4-Db9: 47,65%, 26,55%, 30,22% »

Mampu mensubstitusi kebutuhan energi fosil lebih dari 7%:Prosentase panel surya 20,4%, kebutuhan listrik terpenuhi 51,3%

Potensi integrasi panel surya pada dinding bangunan bertingkat menengah ( Roberts dan Guariento, 2009)

3. OPTIMASI PENERIMAAN

RADIASI MATAHARI

KRITERIA KONFIGURASI OPTIMAL:Penerimaan radiasi/bangkitan energi dan keseragaman penerimaan >

Konfigurasi kombinasi Ab4-Du9 optimal:Penerima radiasi tertinggi; Substitusi energi fosil >7%Keseragaman >80%

KESIMPULAN

Penelitian lebih lanjut:•Model dasar dengan luasan atap lebih besar•Penelitian dengan mempertimbangkan faktor2 yang diasumsikan tetap

TEORITIS

PRAKTISAplikasi pada bangunan kantor bertingkat menengah:•atap: Barat-Timur, tilt 46°, 14,41%•dinding Barat: Utara-Selatan, orientasi 44°, 17,71%•kombinasi atap dan dinding: 20,4% penutupan - 51,3% kebutuhan

SARAN

DAFTAR PUSTAKA

Ahmad, Q.T; Szokolay, S.V. (1991), Thermal Design Tools in Australia: A Comparative Study of TEMPER, CHEETAH, ARCHIPAK, and QUICK,Departement of Architecture, The University of Queensland.

Armstrong, S; Hurley, W.G. (2010), A Thermal Model for Photovoltaic Panels under Varying Atmospheric Conditions, Power Electronics ResearchCentre, Electrical and Electronic Engineering, National University of Ireland, Galway, Ireland.

Benemann, Joachim; Chehab, Oussama; Schaar-Gabriel, Eric, (2001), Building-integrated PV modules, PILKINGTON Solar International GmbH,Muehlengasse 7, D-50667 Cologne, Germany.

Benghanem, M, (2010), Optimization of Tilt Angle for Solar Panel: Case Study for Madinah, Saudi ArabiaBonifacius, Nurhamdoko, (2012), Optimalisasi Kondisi Termal dan Pembangkitan Energi pada Atap Photovoltaic Terintegrasi di Daerah Tropis

Lembab, Insititut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.Brown, G.Z. (1990), Matahari, Angin, dan Cahaya: Strategi Perancangan Arsitektur, Bandung.Corbin, C.D; Zhai, J.Z, (2010), Experimental and Numerical Investigation on Thermal and Electrical Performance of A Building Integrated

Photovoltaic-Thermal Collector System, Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering, University of Colorado atBoulder, USA.

Crosbie, M.J. (2004), Architecture for Science, The Images Publishing Group Pty Ltd, Australia.DeChiara, J., Panero, J., Zelnik, M., (2001), Time Saver Standard for Interior Design and Space Planning, McGrawHill.De Soto, W.; Klein, S.A.; Beckman, W.A. (2005), “Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance”, Solar Energy

Laboratory, University of Wisconsin-Madison, USA.Freedman, Robert, (2009), Avenues and Mid-Rise Buildings Study, Toronto.Friling, Nynne; Jimenez, M.J; Bloem, Hans; Madsen, Henrik, (2009), Modelling The Heat Dynamics of Building Integrated and Ventilated

Photovoltaic Modules, Informatics and Mathematical Modelling, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark.Gajbert, Helena; Hall, Maria; Karlsson, Bjorn, (2007), Optimisation of Reflector and Module Geometries for Stationary, Low-concentrating,

Facade-Integrated Photovoltaic Systems, Energy and Building Design, Lund University, SwedenGeun Young Yun; McEvoy, Mike; Steemers, Koen, (2006), Design and Overall Energy Performance of A Ventilated Photovoltaic Facade, The

Martin Centre for Architectural and Urban Studies, Department of Architecture, University of Cambridge, UK.Givoni, Baruch, (1998), Climate Considerations in Building and Urban Design, Van Nostrand Reinhold.Groat and Wang, (2002), Architectural Research Methods, John Wiley & Sons, Canada.Hussein, H.M.S; Ahmad, G.E; El-Gethany, H.H, (2004), Performance Evaluation of Photovoltaic Modules at Different Tilt Angles and Orientations,

Department of Solar Energy, National Research Center, El-Tahrir Street, Dokki, Cairo, Egypt.Hwang, Taeyon; Kang, Seokyoun, Kim, J. T, (2011), Optimization of The Building Integrated Photovoltaic System in Office Buildings – Focus on

The Orientation, Inclined Angle, and Installed Area, Department of Architectural Engineering, Kyung Hee University, Republic of Korea.

Knowles, Ralph L, (2003), Solar Envelope, It’s Meaning for Energy and Buildings, School of Architecture, University of Southern California, Los Angeles, USA.

Kohn, A. Eugene dan Katz, Paul, (2002), Building Type Basics for Office Building, John Wiley & Sons, New York.Krishan, Arvind; Baker Nick; Yannas, Simos; Szokolay, S.V. (2001), Climate Responsive Architecture, A Design Handbook for Energy Efficient

Buildings, McGraw-Hill, New Delhi.

Lechner, Norbert, (2009), Heating, Cooling, Lighting: Sustainable Design Methods for Architects, John Wiley & Sons, USA.Lianliang Sun, Lin Lu, Hongxing Yang, (2011), Optimum Design of Shading Type Building Integrated Photovoltaic Cladding with Different

Surface Azimuth Angles, Hongkong.Markus, T.A. & Morris, E.N, (1980), Buildings, Climate and Energy, Pitman.Martin, N. & Ruiz, J.M, (2000), Calculation of The PV Modules Angular Losses under Field Conditions by Means of An Analytical Model, UPM-

Instituto de Energia Solar, Madrid, Spain.Marzuki, Ahmad & Rusma, (2012), Audit Energi pada Bangunan Gedung Direksi PT. Perkebunan Nusantara XIII, Jurusan Teknik Elektro

Politkenik Negeri Pontianak, Pontianak. McMullan, Randal, (2007), Environmental Science in Building, Palgrave Macmillan, USA. Mehleri, E.D; Zervas, P.L; Sarimveis, H; Palyvos, J.A; Markatos, N.C, (2010), Determination of The Optimal Tilt Angle and Orientation for Solar

Photovoltaic Arrays, National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering, Athens, Greece.Mintorogo, Danny S, (2000), Strategi Aplikasi Sel Surya (Photovoltaics Cells) pada Perumahan dan Bangunan Komersial, Dimensi Teknik

Arsitektur Vol.28, No.2, hal 129-141. Moore, Fuller, (1993), Environmental Control System, Heating Cooling Lighting, McGraw Hill, New York.Noerwasito, T, (2007), Pengaruh Desain Dinding dan Ruang Terhadap Temperatur dalam Ruangan yang Berdinding Beton Ringan di

Surabaya, untuk Efisiensi Energi, Institut Teknologi Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.Olgyay, Victor, (1992), Design with Climate. Van Nostrand Reinhold, New York.Pitt, Adrian, (2004), Planning and Design Strategies for Sustainibility and Profit, Architectural Press, Britain.Pramita, Dian, (2012), Pengaruh Bentuk dan Material terhadap Energi Pendinginan pada Perkantoran Bertingkat Menengah, Insitut

Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.Roberts, Simon dan Guariento, Nicolo, (2009), Building Integrated Photovoltaic, A Handbook, Boston, Berlin.Samodra, FX. T.B.S. (2006), Roof Geometry Performance of Javanese Village House, Institut Teknologi Teknologi Sepuluh Nopember,

Surabaya.Samodra, FX. T.B.S. (2007), Building Envelope Performance in The Limited Variations of Javanese Village House, an Analysis of Building

Volume and Opening Configuration, Institut Teknologi Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.Santoso dan Santosa (2007), Kinerja Termal Bangunan pada Lingkungan Berkepadatan Tinggi dengan Variabel Atap, Dinding, Ventilasi, dan

Plafon, Institut Teknologi Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.Satwiko, Prasasto, (2005), Arsitektur Sadar Energi, penerbit ANDI, Yogyakarta.Strong, Steven J. dan Scheller, William, 1993, The Solar Electric House, Energy for the Environmentally Responsive, Energy-Independent

Home, USA.Szokolay, Steven V. (2004), Introduction to Architectural Science, The Basis of Sustainable Design, Oxford, Burlington, Britain.Urbanetz, Jair; Zomer, Clarissa; Ruther, Ricardo, (2011), Compromises between Form and Function in Grid-Connected, Building-Integrated

Photovoltaics (BIPV) at Low-latitudes Sites, a Universidade Federal de Santa Catarina/UFSC, Campus Universitário Trindade, Brazil.

Vyzoviti, Sophia, (2005), Folding Architecture, Spatial, Structural, and Organization Diagram.Yeang, Ken, (2008), Ecodesign, A Manual for Ecological Design, Wiley-Academy, Great Britain.Zain, Ismail, (2011), Aplikasi Perancangan Bioklimatik Melalui Software Ecotect dan ESP, Environment Talk: Toward A Better Green Living,

Jakarta, Indonesia.