BANGUNAN HEMAT ENERGI: STRATEGI PENGHEMATAN ENERGI BANGUNAN DI KAWASAN SUB TROPIS DAN TROPIS BASAH Tri Harso Karyono E-mail:
[email protected] Seminar Bangunan Hemat Energi, Balai Besar Teknologi Energi (B2TE), Serpong. 22 Juni 2011 1. PENDAHULUAN Lonjakan harga bahan baker minyak (BBM) dan listrik tampaknya tidak dapat dielakan lagi dalam masa mendatang. Hal ini disebabkan oleh semakin menipisnya cadangan minyak bumi di Indonesia. Konsekuensinya, sejumlah besar bangunan tinggi dan bangunan lainnya di kota besar akan kesulitan menutup beaya operasional gedung untuk suplai listrik. Sekitar 30% pasokan energi nasional dikonsumsi oleh sektor bangunan. Jumlah ini cukup berarti untuk diperhitungkan dalam upaya penghematan energi nasional. Akibat keterbatasan pengetahuan dan kekeliruan dalam mengadopsi rancangan arsitektur dari negara-negara barat, cukup banyak bangunan di kota besar di Indonesia dirancang tanpa pertimbangan energi. Akibatnya menjadi boros energi. Pada masa awal kehidupan, jenis dan ragam aktifitas manusia masih terbatas. Kegiatan manusia masih sebatas pada hal-hal yang terkait dengan pemenuhuan kebutuhan dasar hidup: mencari bahan makan, makan, melangsungkan keturunan, melakukan kegiatan ritual, membuat tempat berlindung (tempat berteduh) dari iklim setempat, dari serangan binatang buas ataupun serangan manusia lain. Penggunaan energi masih terbatas dari sumber-sumber yang ada di alam tanpa ada pengolahan: panas matahari, angin, aliran sungai, kayu dan lainnya. Ketika kehidupan berkembang, bentuk aktifitas berkembang dan ilmu pengetahuan serta teknologi pun berkembang, alternatif sumber energi juga berkembang dan menjadi semakin beragam. Batu bara dan minyak mulai digunakan sebagai sumber enegi yang dapat menggantikan tenaga manusia, hewan, ataupun digunakan sebagai bahan bakar pengganti kayu atau bahan tumbuhan lain. Aktifitas-aktifitas baru mulai bermunculan, baik dalam bentuk olah raga, kesehatan, hiburan, ilmu pengetahuan, peralatan perang, dan lainnya, yang sebagian besar memerlukan energi yang bersumber dari BBM. Perkembangan industri dunia mulai manapak maju ketika James Watt menemukan mesin uap yang lebih efektif pada tahun 1769 [1]. Demikian pula ketika Charles Parson menemukan turbin uap tahun 1884 yang mempermudah manusia merubah energi panas
menjadi energi mekanik (gerak) [1], lonjakan industri dan teknologi tidak terbendung lagi. Muncul aktifitas-aktifitas baru manusia sebagai konsekuensi munculnya produk baru industri dan teknologi. Penemuan listrik sebagai energi yang dapat menggantikan hampir semua jenis energi sebelumnya menyodorkan berbagai alternative baru peralatan bantu manusia meningkatkan ketergantungan manusia terhadap penggunaan energi dari sumber yang tidak terbarukan (bahan bakar minyak). Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi yang dicapai manusia bukan saja membuat kehidupan manusia menjadi semakin mudah dan nyaman, namun di sisi lain ternyata menciptakan ketergantungan manusia terhadap penggunaan energi secara besar-besaran. Celakanya, lonjakan kebutuhan energi yang sebagain besar bersumber dari BBM justru diikuti dengan penurunan pasokan minyak mentah yang dihasilkan dunia. Kian waktu, jumlah kandungan minyak di perut bumi semakin menipis akibat eksploitasi terus menerus secara besar-besaran. Gap antara jumlah kebutuhan dan pasokan semakin membesar, yang pada saatnya BBM akan sulit didapat meskipun dengan harga yang sangat tinggi sekalipun.
Gambar 1. Grafik kebutuhan dan pasokan minyak dunia (juta barrel/hari) [2] Gambar 1 memperlihatkan grafik lonjakan kebutuhan sumber energi BBM dunia, serta jumlah pasokan yang dapat dipenuhi [2]. Kebutuhan BBM kian waktu kian bertambah sedangkan kemampuan pasokan semakin menurun. Kelangkaan pasokan BBM tidak dapat dihindari lagi. Konsekuensi logis adalah terjadinya lonjakan harga BBM serta kenaikan tarif listrik – yang sebagain besar masih diproduksi dari BBM.
2
2. ENERGI DAN SUMBER PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi selalu konstan jumlahnya, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah bentuk dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain misalnya dari energi kimia ke energi listrik, energi listrik ke energi mekanik, dan sebagainya [3]. Konsumsi energi akan selalu diartikan sebagai ‘konversi’ (perubahan bentuk) energi. ‘Kelangkaan’ energi mengindikasikan minimnya jumlah energi (dalam bentuk) tertentu misalnya energi kimia (dalam bentuk BBM), yang dapat ‘dikonversikan’ ke energi lain, misalnya listrik. Sumber pembangkit listrik saat ini masih didominasi oleh BBM. Nuklir merupakan sumber energi lain diluar BBM yang digunakan sebagai pembangkit listrik. Energi nuklir relatif bersih ketika dikonversi ke energi listrik, dengan harga cukup bersaing setelah digunakan beberapa waktu. Namun kelemahan teknologi pembuangan limbah radioaktif ini masih menjadi perdebatan para ilmuwan, politisi dan wakil rakyat di banyak negara. Limbah buangan nuklir diperkirakan tetap akan bersifat radioaktif selamanya. Tenaga surya merupakan alternatif paling aman. Tenaga (energi) surya merupakan energi yang berasal langsung dari radiasi matahari, seperti halnya panas matahari, energi listrik yang dibangkitkan dari photovoltaic, serta jenis tenaga yang terbentuk sebagai akibat (efek) langsung atau tidak langsung dalam jangka yang relatif pendek dari radiasi matahari, seperti halnya tenaga air/ombak dan tenaga angin. Konversi tenaga surya ke tenaga listrik tidak akan diikuti dengan limbah. Dari sekian kemungkinan pemanfaatan tenaga surya secara aktif (dikonversikan ke energi listrik), teknologi photovoltaic merupakan yang paling populer digunakan dalam bangunan. Tidak sedikit bangunan terutama di Eropa Barat yang memanfaatkan photovoltaic bagi kebutuhan - seluruh atau sebagian - energi listrik dalam bangunannya. Sementara itu, di Indonesia, penggunaan photovoltaic bagi suplai energi listrik masih sangat sedikit. Penggunaannya terbatas pada daerah yang letaknya terpencil dan belum mendapat aliran listrik dari PLN.
3. LEMAHNYA PERTIMBANGAN ENERGI DALAM RANCANGAN BANGUNAN Cukup banyak bangunan di Indonesia yang dirancang tanpa pertimbangan penghematan energi sehingga berkonsekuensi terhadap tingginya beaya operasional listrik setiap bulannya. Jika bangunan dirancang tanpa pertimbangan energi, maka kesulitan akan muncul di kemudian hari, yakni dalam hal menanggulangi beban operasional listrik yang tinggi. Gedung Pusat Peragaan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (PP Iptek) di Taman Mini merupakan salah satu contoh bangunan yang boros energi. Pengelola gedung menghadapi 3
kesulitan terhadap tingginya beaya energi (listrik). Bangunan ini gagal sebagai model kehandalan iptek karena dirancang tanpa memanfaatkan ilmu pengetahuan (sains) bangunan dan mengabaikan iklim setempat (tropis basah), sehingga boros energi. Gedung tiga lantai berbentuk lingkaran ini dengan luas total sekitar 23.000 m2 menggunakan atap transparan - tembus sinar matahari langsung. Atap ini mengakibatkan ‘efek rumah kaca’ dan memanasi ruang di bawahnya. Suhu udara dalam bangunan melonjak hingga di atas 36oC. Untuk menurunkan suhu yang tinggi ini diperlukan mesin AC dengan kapasitas besar. Meskipun hanya mengoperasikan 30% mesin AC dan menutup sebagian ruang peraga, bangunan ini masih memikul beaya listrik lebih dari 80 juta rupiah per-bulan [4]. 4. PENGHEMATAN ENERGI DALAM BANGUNAN Penghematan energi dalam bangunan dapat dilakukan dengan beberapa cara: 1. Melalui sistem utilitas bangunan (penerangan, pengkondisian udara, pompa, BAS) 2. Melalui manusia-pengguna bangunan (pengetahuan, perilaku, disiplin hemat energi) 3. Melalui rancangan arsitektur bangunan (sistem pasif dan aktif) 4.1. Penghematan Energi melalui Sistem Utilitas Bangunan Penelitian terhadap pencahayaan buatan beberapa ruang kelas di kampus Universitas Trisakti yang dilakukan Candy Yuniarti (5) memperlihatkan bahwa dengan susunan lampu yang tepat disesuaikan dengan letak jendela (sumber cahaya alami), penggunaan lampu (penerangan
buatan)
sesungguhnya
dapat
dikurangi,
tanpa harus mengorbankan
kenyamanan visual siswa di ruang kelas. Switch on-off perlu dipertimbangkan terhadap pengelompokan lampu. Deretan lampu yang ditempel pada ceiling dekat jendela sebaiknya dikelompokan menjadi satu, sementara deretan lampu ceiling ‘bagian dalam’ yang berjauhan dengan jendela sebaiknya berada pada kelompok lain. Ketika udara cerah-siang hari, kelompok lampu dekat jendela dapat dimatikan tanpa mengganggu kebutuhan penerangan siswa di area tersebut. Penelitian Bahri dan Karyono [6] di Gedung BEJ memperlihatkan bahwa peningkatan suhu ‘chilled water’ sebesar 1oC pada sistem pendingin udara sentral dapat menurunkan sekitar 7.5% konsumsi energi dalam bangunan tersebut. Manajemen energi juga dapat membantu penghematan energi dalam bangunan. Melalui buiding automatic system (BAS) penggunaan enegi dapat diatur dan ditargetkan. Salah satu contoh adalah dengan penjadwalan waktu kerja mesin AC, penjadwalan kerja mesin lift, penjadwalan penerangan bangunan, dan sebagainya. Penggunaan air laut dalam (dengan suhu rendah) sebagai chilled water dalam sistem pengkondisian udara dilaporkan dapat menghemat energi listrik hingga 86% bagi sistem pendingin udara. Air laut dalam yang direncanakan akan digunakan dalam sistem pendinginan bangunan di pusat kota Honolulu diperkirakan akan memangkas sekitar 75% 4
energi listrik untuk sistem pendinginan udara bangunan [8]. Sistem serupa yang telah dioperasikan di Cornell University, Ithaca, New York sejak tahun 2000 dengan mengambil air dalam Danau Cayuga menghemat sekitar 86% energi dibanding dengan sistem konvensional [7]. Meskipun secara umum sistem yang diuraikan di atas hanya terkait dengan aspek utilitas bangunan, aspek rancangan bangunan sedikit-banyak akan terpengaruh. Misalnya penyedian ruang untuk BAS, penyediaan cerobong-cerobong (shaft) tambahan untuk kabel dan pipa. 4.2. Penghematan Energi melalui Pengguna Bangunan Salah satu hal penting yang tidak disadari manusia terhadap pemborosan energi adalah perilaku
manusia
sendiri.
Pemborosan
energi
seringkali
justru
disebabkan
oleh
ketidakpedulian manusia terhadap pemakaian energi secara hemat. Beberapa contoh pemborosan energi (listrik) dalam kehidupan sehari-hari: - Tidak mematikan lampu ketika ruangan tidak digunakan - Tidak mematikan TV, atau peralatan listrik ketika tidak digunakan - Mengenakan pakaian tebal (jaket, jas) di dalam ruang sehingga memerlukan suhu rendah (supaya tidak panas). Akibatnya suhu ruang (ber AC) diatur rendah. 4.3. Penghematan energi melalui Rancangan Arsitektur Suatu rancangan bangunan dikatakan hemat energi apabila dalam mencapai kenyamanan ruang (termal dan visual) bangunan tersebut hanya menggunakan energi (primer) dalam jumlah yang relatif rendah
5
Bagan Penghematan Energi (Penghematan BBM) Bangunan
LUAR BANGUNAN
PERKERASAN
VEGETASI
ORIENTASI BANGUNAN TERHADAP MATAHARI ORGANISASI RUANG SELUBUNG/
ARSITEKTUR
FACADE VENTILASI SILANG ATAP MATERIAL & WARNA PENGKONDISIAN UDARA/ SISTEM AC
BANGUNAN HEMAT ENERGI (HEMAT BBM)
PENERANGAN
BANGUNAN
MECHANICAL ELECTRICAL
POMPA SIRKULASI VERTIKAL: LIFT/ ESCALATOR APPLIANCES
SETTING INDOOR TEMPERATURE
STANDAR SUHU NYAMAN YANG DIGUNAKAN PHOTOVOLTAIC (PV) ANGIN
SUMBER ENERGI
HIDROPOWER
ALTERNATIF
BIOFUEL BIOMASS BIOGAS DSB BUILDING AUTOMATIC SYSTEM (BAS)
Thk/6/ 07
MANAJEMEN ENERGI
DSB
6
5. BANGUNAN HEMAT ENERGI Salah satu sektor penting yang sangat berpengaruh terhadap penggunaan BBM dan listrik adalah bangunan. Bangunan berperan sebagai alat pencapaian kenyamanan fisik manusia, dengan cara memodifikasi lingkungan alamiah yang tidak diinginkan menjadi lingkungan buatan yang nyaman. Bangunan merupakan 'filter' (penyaring) faktor-faktor alamiah yang menyebabkan ketidaknyamanan: hujan, terik matahari, angin kencang, udara panas tropis agar tidak masuk ke dalam bangunan. Untuk memfilter faktor iklim yang tidak dikehendaki, tidak jarang bangunan dilengkapi dengan peralatan mekanis. Udara luar yang panas dimodifikasi oleh bangunan-dengan bantuan mesin AC menjadi udara dingin. Dalam hal ini dibutuhkan energi listrik untuk menggerakkan mesin AC. Demikian juga halnya bagi penerangan malam hari atau ketika langit mendung, diperlukan energi listrik untuk lampu penerang. Penghematan energi melalui rancangan arsitektur mengarah pada penghematan penggunaan listrik, baik bagi pendinginan udara, penerangan buatan, atau peralatan listrik lain dalam bangunan. Bagaimana arsitektur bangunan sedemikian rupa dirancang agar ruangan cukup terang tanpa banyak menggunakan lampu dan agar udara dalam ruang dapat sejuk tanpa bantuan mesin AC. Bagaimana penerangan dan pendinginan udara dapat dilakukan secara alamiah tanpa menggantungkan peralatan listrik yang konsumtif terhadap energi yang bersumber dari BBM. Dengan strategi perancangan tertentu, bangunan dapat memodifikasi iklim luar yang tidak nyaman menjadi iklim ruang yang nyaman tanpa banyak mengkonsumsi energi listrik yang bersumber dari BBM. Kebutuhan energi perkapita dan nasional dapat ditekan jika secara nasional bangunan dirancang dengan konsep hemat energi. Pengertian bangunan hemat energi lebih merujuk pada penghematan energi yang tidak terbarukan. Penghematan ini dapat berupa penekanan penggunaan energi (listrik) yang bersumber dari BBM, atau menggunakan energi listrik non-BBM dan tergolong sebagai sumber energi terbarukan seperti halnya solar sel. Perancangan arsitektur hemat energi dapat dilakukan dengan dua cara: secara pasif dan aktif. Perancangan pasif merupakan salah satu cara penghematan penggunaan energi melalui pemanfaatan energi matahari secara pasif - tanpa mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik.
Rancangan pasif lebih mengandalkan kemampuan arsitek,
bagaimana agar rancangan bangunan mampu dengan sendirinya ‘memodifikasi’ kondisi iklim luar yang tidak nyaman menjadi ruang di dalam bangunan yang nyaman.
5.1. Rancangan Pasif Daerah Sub-Tropis Strategi perancangan pasif di daerah beriklim dingin diarahkan untuk mengambil panas matahari sebanyak mungkin bagi pemanasan bangunan saat musim dingin, bidang-bidang transparan (kaca) di arahkan pada sisi datangnya sinar matahari. Untuk kawasan di utara katulistiwa (Eropa, Amerika Utara, dsb.), dinding transparan dirahkan ke sisi selatan, sementara untuk kawasan di selatan katulistiwa (Australia, New Zealand) dinding transparan diarahkan ke sisi utara. Masuknya cahaya langsung matahari ke dalam bangunan akan membantu menaikkan suhu ruangan (akibat efek rumah kaca) dan menaikan intensitas penerangan ruang. Salah satu bangunan yang dianggap berhasil menerapkan strategi perancangan pasif di kawasan iklim sub tropis adalah gedung Bank NMB di Amsterdam. Gedung Bank NMB dirancang oleh arsitek Anton Alberts, dibangun tahun 1978 di kawasan tepi kota Amsterdam, dirancang tanpa AC. Tapak bangunan dipilih oleh karyawan yang bekerja di bank ini melalui voting. Pemilihan tapak lebih banyak dipertimbangankan terhadap kedekatan tempat tinggal karyawan. Dengan luas sekitar 50.000m2 plus 28.000m2 parkir di basement, dan panjang bangunan hampir 1 Km, bangunan ini mengakomodsi sekitar 2000 orang staf. Dengan level penerangan sekitar 500lux (sebagian besar berasal dari cahaya luar), bangunan ini mengkonsumsi sekitar 111 kWh/m2/tahun. atau sekitar 90% lebih rendah dibanding gedung NMB lama dengan konsumsi energi sebesar 1.320 kWh/m2/tahun, yang mulai digunakan tahun 1970-an. Bangunan ini menghemat beaya operasional sekitar 1.3 juta poundsterlings (atau 2 milyar rupiah) per-tahun [8]. 5.2. Rancangan Pasif Daerah Tropis Basah Strategi perancangan pasif di wilayah tropis basah seperti Indonesia menggunakan strategi yang berlawanan. Radiasi matahari yang jatuh ke bangunan harus dicegah atau dikurangi tanpa harus mengorbankan kebutuhan penerangan alami. Komponen sinar matahari yang terdiri atas cahaya dan panas hanya dimanfaatkan komponen 'cahaya' nya dan menepis panasnya.
Beberapa bangunan di Indonesia - terutama bangunan-bangunan lama -
dirancang dengan strategi perancangan pasif. Karya Soejoedi (Kedutaan Perancis di Jakarta, gedung Depdiknas Pusat), karya Silaban (Masjid Istiqal, Bank Indonesia), Gedung S. Widjojo yang terletak di jalan Sudirman, Jakarta, serta sebagian besar bangunan kolonial karya beberapa arsitek Belanda, merupakan beberapa contoh di antaranya [9]. Gedung S. Widjojo merupakan contoh rancangan pasif arsitektur tropis basah. Pemanasan matahari ditahan oleh sun’s shadings (kisi-kisi penghalang radiasi matahari) yang menutup hampir seluruh selubung bangunan. Secara perhitungan, penempatan kisikisi ini dapat mengurangi sekitar 30% beban pendinginan AC. Cahaya alami masih
8
dimungkinkan masuk secara tidak langsung melalui jendela kaca di balik kisi-kisi tersebut [10]. Sementara itu gedung Kedutaan Besar Perancis karya Soejoedi yang terletak di sudut jalan Thamrin dan Sunda menghadapkan muka bangunan ke jalan utama - jalan Thamrin, namun justru ke jalan Sunda yang lebih sempit. Pemikiran sang arsitek dengan mudah terbaca, bahwa bangunan ini ingin dihadapkan pada sisi Utara-Selatan. Orientasi ini merupakan solusi iklim terbaik di daerah katulistiwa. Penetrasi radiasi matahari melalui jendela kaca diminimalkan sementara area dinding bangunan yang menerima radiasi matahari juga diperkecil, ‘perolehan panas’ (heat gain) bangunan menjadi kecil, artinya pemanasan radiasi matahari terhadap bangunan minimal. Diharapkan suhu udara di dalam bangunan menjadi rendah. Konsekuensinya beban pendinginan AC rendah dan energi listrik yang digunakan juga rendah. 5.3. Rancangan Aktif Dalam rancangan aktif, energi matahari dikonversikan menjadi energi listrik oleh solar sel, kemudian energi listrik inilah yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi bangunan. Dalam perancangan secara aktif, secara simultan arsitek juga harus menerapkan strategi perancangan secara pasif. Tanpa penerapan strategi perancangan pasif, penggunaan energi dalam bangunan akan tetap tinggi apabila tingkat kenyamanan termal dan visual harus dicapai. Beberapa contoh bangunan yang dirancang dengan pendekatan aktif di antaranya adalah rumah tinggal Prof. Susan Roaf di Oxford, Inggris [2] dan Pavilion Inggris di Expo 92 di Sevilla, Spanyol [11]. 6. PENUTUP Cepat atau lambat, bangunan yang boros energi tidak akan berfungsi. Bangunan akan terlalu mahal untuk digunakan. Sudah waktunya arsitek memikirkan rancangan bangunan yang hemat energi. Teknis pemecahan rancangan bangunan hemat energi di Indonesia (yang didominasi oleh iklim tropis basah) berbeda dengan bangunan di kawasan sub tropis. Hal ini perlu disadari oleh para arsitek di Indonesia, agar dalam mengadopsi bentuk, konsep rancangan arsitektur dari negara barat (yang umumnya beriklim sub tropis) tidak terjebak dalam kekeliruan yang mendasar.
REFERENSI 1.
Grisewood & Dempsey (1993), Factbook of Science, Rainbow Books, London
2.
Roaf, S, et al. (2001), Ecohouse A Design Guide, Architectural Press, Oxford, UK
3.
Ramage, J (1989), Energy A Guidebook, Oxford University Press, UK.
4.
Karyono, TH (2003), Gedung Peraga Sains dan Teknologi Boros Energi, Harian Sinar Harapan, 10 September 9
5.
Yuniarti, SC (2003), Kajian kuat penerangan Ruang Kelas dikaitkan dengan Letak Bukaan dan Pengaturan Penerangan Buatan, Thesis Program Magister Arsitektur, Universitas Trisakti.
6.
Karyono, TH and Bahri, G (2005), Energy Efficient Strategies for JSX Buildings, Jakarta, Indonesia, Proceedings Passive Cooling Conference, Santorini, Greece.
7.
Govin, T (2005), Ocean provides air-con for tropics, The Jakarta Post, 5 April.
8.
Vale, Brenda and Robert (1991), Green Architecture Design for a sustainable future, Thames and Hudson, London.
9.
Karyono, TH (2004), Bangunan Hemat Energi: Rancangan Pasif dan Aktif, Harian Kompas, 31 Oktober.
10. Karyono, TH (2000), Report on Thermal Comfort and Building Energy Studies in Jakarta, Journal of Building and Environment, vol. 35, pp 77-90, Elsevier Ltd, UK. 11. Bid to bring UK pavilion home, Architects' Journal, 24 June1992, p.5., UK. 12. Meyhofer, D (1995), Contemporary European Architects 2, Taschen, Hamburg. 13. Karyono, TH (2005), Arsitektur Hemat Energi: Strategi Rancangan Bangunan Hemat BBM, Prosidings Seminar Sehari, Universitas Teknologi Yogyakarta, Desember.
10
