Strategi Retrofit (Pasca-Konstruksi) untuk Mengatasi Panasnya Dinding Barat dan Utara

Kita yang berada di bawah garis khatulistiwa tentunya sadar bahwa sumber panas terbesar kita, matahari, sangat dominan dari arah Barat dan Utara. Biasanya dinding di sisi Barat dan Utara pada siang hari akan mulai terasa hangat, kemudian semakin hangat di sore hari, dan tetap hangat di malam hari sebelum menjadi dingin di pagi harinya. Fenomena semacam ini bisa diperhatikan di banyak rumah tinggal, gedung sekolah, perkantoran, masjid, dan bangunan komersial, terutama bila kesemua bangunan tersebut dibangun dengan bahan bata dan beton. Tentunya di daerah-daerah panas, kita mengharapkan bangunan kita memiliki temperatur yang sejuk agar dapat digunakan untuk beristirahat baik di siang hari maupun di malam hari. Panas berlebih yang dipancarkan dinding justru akan sangat mengganggu. Sebaliknya di daerah dingin, panas yang tersimpan dalam dinding dapat dimanfaatkan sebagai pemanas alami sesuai kebutuhan kenyamanan di daerah tersebut.

Fenomena dinding yang memancarkan panas ini erat kaitannya dengan bangunan sebagai masa penyimpan panas (thermal mass storage). Bata, beton, batako, dan batuan adalah bahan bangunan yang tergolong dalam kategori keramik, yang memiliki kemampuan untuk menyimpan panas (kalor) dan perlahan-lahan melepaskan panas tersebut ke udara (mengalami pendinginan dalam waktu yang relatif lama).

Apabila bangunan sudah terbangun, lalu kita menemukan fenomena dinding panas dan kita mengharapkan agar panas itu tidak tembus ke ruang interior, maka yang bisa kita lakukan adalah mencari strategi untuk mengatasi permasalahan tersebut tanpa membongkar dinding bata yang ada. Dengan demikian, meminjam istilah di dunia rekayasa sipil, maka strategi yang dapat dilakukan adalah yang disebut sebagai strategi retrofit, yakni penambahan elemen untuk meningkatkan kapasitas atau performa suatu bagian struktur. Dalam hal ini, strategi retrofit kita ditujukan untuk meningkatkan kualitas termal interior dengan mengurangi kalor yang masuk ke dalam ruangan.

Mari kita telaah literatur yang ada.

Dalam ilmu fisika, terdapat sedikitnya tiga cara kalor dihantarkan, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Sekedar mereview kembali, konduksi adalah perpindahan kalor dengan melekatkan benda bersuhu tinggi dengan benda bersuhu rendah tanpa adanya perpindahan zat. Konveksi adalah perpindahan kalor seperti konduksi yang disertai dengan perpindahan zat (zat yang dapat berpindah ini bisa berupa zat cair ataupun gas). Sementara itu, radiasi adalah perpindahan kalor tanpa adanya sentuhan ataupun perpindahan zat. Sebelum sampai pada pembahasan mengenai strategi, harus dipahami terlebih dahulu bagaimana dinding bata bekerja sebagai masa penyimpan panas (thermal mass storage). Untuk ini terdapat beberapa tulisan yang menggambarkan prinsipnya dengan cukup jelas.

Nyers et. Al. (2015) menggambarkan perpindahan kalor yang melalui dinding bata berinsulasi menggunakan gambar berikut ini. Untuk mengukur kalor yang berpindah, para peneliti yang terlibat melakukan pengukuran perbedaan suhu pemukaan luar dan dalam serta perhitungan heat fluks permukaan luar dan dalam, dengan mempertimbangkan jenis dinding dan ketebalan dinding sebagai salah satu variable yang mempengaruhi. Dalam pengukuran sedemikian, maka perpindahan panas yang diukur adalah transfer panas gabungan baik transfer dengan cara konduksi maupun transfer dengan cara konveksi. Dinding bata sendiri adalah sebuah komposit yang merupakan gabungan batu bata, adukan semen (perekat antar bata, plaster, dan acian yang terdiri dari semen pasir dan air), lapisan primer cat, cat warna, dan pada kasus tertentu juga lapisan insulasi. Dengan demikian, dari sebuah dinding bata saja, variabel bawaan material yang mempengaruhi perpindahan kalor sudah cukup banyak. Demikian daftar variabel yang diperhitungkan oleh Nyers et al:

  1. Koefisien konduksi dinding bata komposit tanpa insulasi (watt/m2/K)
  2. Koefisien konduksi lapisan insulasi (bila ada) (watt/m2/K)
  3. Koefisien konveksi udara luar (outdoor) (watt/m2/K)
  4. Koefisien konveksi udara dalam ruang (interior) (watt/m2/K)
  5. Ketebalan dinding (m)
  6. Suhu luar ruangan (Celcius atau Kelvin)
  7. Suhu dalam ruangan (Celcius atau Kelvin)
  8. Heat flux luar per meter persegi (Watt/m2)
  9. Heat flux interior per meter persegi (watt/m2)

Setelah memahami variable pengukurnya, maka kita mengetahui bahwa kondultivitas termal suatu bahan sangat menentukan seberapa banyak panas itu tersimpan dan dipindahkan dari satu material ke material lain di sekitarnya (termasuk udara). Pada bangunan yang sudah terbangun, kita hanya bisa menambahkan insulasi, baik itu di sisi eksterior maupun di sisi interior dinding untuk memperkecil konduktivitas thermal.

Berikut beberapa strategi retrofit yang bisa diadopsi:

Dari hasil penelusuran singkat kami, terdapat beberapa strategi yang bisa dilakukan untuk mengurangi panas yang tersimpan dan memancar dari dinding bata. Sebagian bisa diaplikasikan di bagian luar dinding dan sebagian lagi di sisi dalam dinding.

Aplikasi di sisi luar dinding:

  1. Leaf covering (Cameron et al 2014; Holm 1989; Ottele 2011). Cameron et al melakukan pengukuran terhadap beberapa sampel dinding bata eksterior dengan berbagai jenis tanaman rambat di permukaanya. Hasil eksperimen ini menunjukan bahwa jenis tanaman Hedera dan Stachys lebih baik dalam menghambat panas serta menunjukan temperature dinding bata yang paling rendah. Eksperimen ini juga menunjukan efektvitas leaf-cover atau green wall sebagai insulator termal di sisi eksterior suatu dinding. Holm (1989) menghitung dengan simulasi yang menunjukan bahwa leaf-cover atau green wall dapat mengurangi suhu interior dari 17-33 C ke 18-28 C pada musim panas , dan dari 10-30 C ke 12-27 C pada musim dingin.
  2. Silica-aerogel coat (Ibrahim et al 2014, Barbero et al 2014). Aerogel memiliki konduktivitas termal yang sangat rendah, yakni 0.01 – 0.04 W/mK, namun hingga saat ini aergel masih tergolong mahal, dan secara mekanis termasuk ringkih. (Barbero et al 2014).

Aplikasi di sisi dalam dinding:

  1. Vegetal-based Plaster (Bianco et al 2015). Plester ini terbuat dari bonggol jagung yang dihancurkan, dicampur dengan kapur tohor (calcium oxide atau hydraulic lime) dan perlite (expanded silica). Plester jenis ini diuji menggunakan metode hot-plate oleh Bianco et al (2015) dan terukur memiliki konduktivitas termal sebesar 0.1 – 0.13 W/mK. Sampel yang digunakan memiliki ketebalan 5-10 cm. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memungkinkan penambahan insulasi interior pada bangunan historis di Italia, yang juga sangat mungkin diaplikasikan pada bangunan-bangunan di Indonesia. Pengujian eksperimental dilakukan atas bangunan historis di Torino, yang tengah dalam proses restorasi. Dua ruang uji dipilih, kedua ruangan memiliki dinding yang menghadap utara-timur. Dinding ruang pertama diberikan lapisan vegetal-based plaster setebal 6 cm (di sisi dalam) sementara dinding ruang kedua tidak diberi insulasi (sampel kontrol). Penilaian dilakukan dengan menghitung total daily transmitted energy (Wh/m2). Hasil perhitungan menunjukan bahwa perpindahan energi lebih besar sebanyak 20% hingga 41% pada dinding yang tidak diberi insulasi.
  2. Vacuum insulation panel (VIPs) (Johansson et al 2014). VIPs memiliki kemampuan insulasi 5-10 kali lebih tinggi daripada insulasi komersial. Kelemahan dari bahan ini adalah meningkatnya kelembaban yang tersimpan pada dinding dan bahan kayu.
  3. Calcium silicate hydrate. Ferrari & Riva (2019) melakukan simulasi untuk membandingkan performa beberapa jenis insulasi termal pada sisi interior bangunan. Sampel insulasi yang diuji mencakup calcium silicate hydrate, fiberwood, expanded polystyrene, stone wool, dan aerogel. Variabel yang diukur dalam perbandingan ini adalah: (1) distribusi air pada lapisan-lapisan dinding, (2) pembentukan jamur pada daerah kritis dinding, dan (3) aliran panas dan uap baik pada permukaan dinding interior maupun eksterior. Dari eksperimen ini diperoleh kesimpulan bahwa calcium silicate memliki performa yang lebih baik, karena memiliki kemungkinan tumbuh jamur paling kecil, dan juga sangat baik dalam menghalau panas. Aerogel yang memiliki konduktivitas termal yang rendah tetap kurang efektif karena memili resiko pertumbuhan jamur yang tinggi.

Sumber:

Nyers, J., Kajtar, L., Tomić, S., & Nyers, A. (2015). Investment-savings method for energy-economic optimization of external wall thermal insulation thickness. Energy and Buildings86, 268-274.

Navarro, L., De Gracia, A., Colclough, S., Browne, M., McCormack, S. J., Griffiths, P., & Cabeza, L. F. (2016). Thermal energy storage in building integrated thermal systems: A review. Part 1. active storage systems. Renewable Energy88, 526-547.

Baggs, D., & Mortensen, N. (2006). Thermal mass in building design. Environment Design Guide, 1-9.

Wonorahardjo, S., Sutjahja, I.M. (2018). Bangunan Gedung Hijau untuk Daerah Tropis. Bandung: ITB Press.

Cameron, R. W. F., Taylor, J. E., & Emmett, M. R. (2014). What’s ‘cool’ in the world of green façades? How plant choice influences the cooling properties of green walls. Building and Environment, 73, 198-207. doi:https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2013.12.005

Holm, D. (1989). Thermal improvement by means of leaf cover on external walls — A simulation model. Energy and buildings, 14(1), 19-30. doi:https://doi.org/10.1016/0378-7788(89)90025-X

Ottelé, M., Perini, K., Fraaij, A. L. A., Haas, E. M., & Raiteri, R. (2011). Comparative life cycle analysis for green façades and living wall systems. Energy and buildings, 43(12), 3419-3429. doi:https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.09.010

Johansson, P., Geving, S., Hagentoft, C. E., Jelle, B. P., Rognvik, E., Kalagasidis, A. S., & Time, B. (2014). Interior insulation retrofit of a historical brick wall using vacuum insulation panels: Hygrothermal numerical simulations and laboratory investigations. Building and Environment79, 31-45.

Zagorskas, J., Zavadskas, E. K., Turskis, Z., Burinskienė, M., Blumberga, A., & Blumberga, D. (2014). Thermal insulation alternatives of historic brick buildings in Baltic Sea Region. Energy and buildings78, 35-42.

Wang, Y., Huang, Z., & Heng, L. (2007). Cost-effectiveness assessment of insulated exterior walls of residential buildings in cold climate. International Journal of Project Management25(2), 143-149.

Ibrahim, M., Biwole, P. H., Wurtz, E., & Achard, P. (2014). A study on the thermal performance of exterior walls covered with a recently patented silica-aerogel-based insulating coating. Building and Environment81, 112-122.

Ucar, A., & Balo, F. (2010). Determination of the energy savings and the optimum insulation thickness in the four different insulated exterior walls. Renewable Energy35(1), 88-94.

Bianco, L., Serra, V., Fantucci, S., Dutto, M., & Massolino, M. (2015). Thermal insulating plaster as a solution for refurbishing historic building envelopes: First experimental results. Energy and Buildings95, 86-91.

Barbero, S., Dutto, M., Ferrua, C., & Pereno, A. (2014). Analysis on existent thermal insulating plasters towards innovative applications: Evaluation methodology for a real cost-performance comparison. Energy and Buildings77, 40-47.

Ferrari, S., & Riva, A. (2019). Insulating a Solid Brick Wall from Inside: Heat and Moisture Transfer Analysis of Different Options. Journal of Architectural Engineering, 25(1), 04018032. doi:doi:10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000334