Dalam perancangan Air Handling Unit (AHU) untuk lingkungan farmasi, pemilihan face velocity pada cooling coil merupakan salah satu faktor penting yang perlu diperhatikan. Kecepatan udara yang melewati permukaan coil tidak hanya memengaruhi proses perpindahan panas, tetapi juga berkaitan dengan ukuran AHU, penurunan tekanan (pressure drop), kebutuhan energi kipas, jumlah baris coil, hingga desain penampung kondensat.
Secara umum, face velocity pada cooling coil sering berada pada kisaran 2,0–2,5 m/s. Rentang tersebut digunakan antara lain untuk membantu mengendalikan risiko water droplet carryover serta menjaga pressure drop tetap pada tingkat yang dapat diterima. Namun, pemilihan nilai yang tepat sebaiknya tidak hanya berdasarkan angka rekomendasi, melainkan mempertimbangkan kebutuhan sistem secara keseluruhan.
Apa Itu Face Velocity pada AHU?
Face velocity adalah kecepatan rata-rata udara yang melewati bidang permukaan coil atau filter pada AHU. Nilainya berhubungan dengan volume aliran udara dan luas penampang efektif tempat udara melewatinya.
Secara sederhana:
Face Velocity = Airflow ÷ Luas Permukaan
Karena itu, untuk kapasitas aliran udara yang sama, semakin rendah face velocity, semakin besar luas permukaan coil atau penampang AHU yang dibutuhkan.
Pemilihan face velocity menjadi semakin penting pada sistem HVAC farmasi karena sistem biasanya memiliki beberapa tahapan filtrasi dan tuntutan pengendalian lingkungan yang lebih ketat dibandingkan aplikasi HVAC umum.
Pengaruh Face Velocity terhadap Desain AHU
Perubahan kecepatan udara pada cooling coil dapat memberikan beberapa dampak terhadap desain dan operasional AHU.
1. Ukuran AHU
Pada volume udara yang sama, penggunaan face velocity yang lebih rendah membutuhkan luas penampang AHU yang lebih besar. Akibatnya, dimensi unit dan equipment footprint juga meningkat.
Kondisi ini dapat menyebabkan biaya investasi awal lebih tinggi karena casing, coil, filter, dan komponen lainnya membutuhkan area yang lebih besar.
Di sisi lain, kecepatan udara yang lebih rendah dapat membantu mengurangi pressure drop pada sejumlah komponen sehingga kebutuhan energi operasional dapat menjadi lebih rendah.
2. Jumlah Baris Cooling Coil
Kecepatan udara juga berhubungan dengan waktu tinggal udara ketika melewati coil. Ketika kecepatan udara diturunkan, waktu kontak udara dengan permukaan coil menjadi lebih panjang.
Dalam kondisi tertentu, hal tersebut memungkinkan penggunaan coil dengan jumlah baris yang lebih sedikit untuk mencapai kebutuhan perpindahan panas yang sama. Berkurangnya jumlah baris dapat membantu menurunkan pressure drop pada coil.
Namun, pemilihan jumlah baris tetap harus didasarkan pada perhitungan kapasitas pendinginan, kondisi udara masuk dan keluar, temperatur fluida, serta karakteristik coil yang digunakan.
3. Ukuran Condensate Tray
Pada proses pendinginan yang menghasilkan kondensasi, desain condensate tray juga perlu diperhatikan.
Semakin tinggi kecepatan udara yang melewati cooling coil, semakin besar perhatian yang diperlukan terhadap kemungkinan terbawanya butiran air (water droplet carryover). Salah satu konsekuensinya adalah kebutuhan terhadap panjang penampung kondensat yang sesuai dengan kondisi aliran udara dan desain coil.
Karena itu, desain condensate tray sebaiknya dilakukan bersamaan dengan pemilihan face velocity dan konfigurasi cooling coil.
4. Pressure Drop Filter
Filter merupakan salah satu komponen yang berpengaruh terhadap kebutuhan energi sistem HVAC, terutama pada aplikasi farmasi yang menggunakan beberapa tahap filtrasi.
Secara umum, semakin tinggi face velocity, semakin besar pula pressure drop yang dapat terjadi pada filter AHU. Sebaliknya, menurunkan kecepatan udara dapat membantu mengurangi penurunan tekanan pada filter yang terpasang di dalam AHU.
Perlu dibedakan bahwa pembahasan ini terutama berkaitan dengan filter yang berada di AHU. Face velocity pada cooling coil tidak secara langsung menentukan pressure drop pada terminal HEPA filter yang berada di lokasi lain dalam sistem.
Contoh Perbandingan Face Velocity 2,0 m/s dan 2,54 m/s
Sebagai ilustrasi, digunakan contoh AHU dengan kapasitas 30.000 m³/jam dan available static pressure sebesar 850 Pa. Dua kondisi face velocity dibandingkan, yaitu 2,0 m/s dan 2,54 m/s.
Perbandingan ini dapat memberikan gambaran mengenai konsekuensi penggunaan kecepatan udara yang lebih rendah pada beberapa komponen utama AHU.
Ukuran Unit
Dengan kapasitas aliran udara yang sama, AHU dengan face velocity 2,0 m/s membutuhkan luas penampang yang lebih besar dibandingkan unit dengan kecepatan 2,54 m/s. Konsekuensinya adalah kebutuhan ruang instalasi menjadi lebih besar dan biaya awal unit berpotensi meningkat.
Pre-Filter
Pada jenis filter yang sama, misalnya ePM1 70%, kecepatan udara yang lebih rendah menghasilkan pressure drop yang lebih rendah.
Namun, unit yang lebih besar juga membutuhkan area filter yang lebih luas. Dengan demikian, biaya investasi filter perlu diperhitungkan secara keseluruhan, bukan hanya berdasarkan nilai pressure drop.
Fan
Perbedaan face velocity juga memengaruhi karakteristik kerja fan. Pada contoh tersebut, fan pada kondisi kecepatan udara yang lebih rendah bekerja dengan beban yang lebih ringan. Ketika beroperasi pada kondisi maximum pressure drop, kebutuhan daya yang diserap pada face velocity 2,54 m/s dilaporkan sekitar 5% lebih tinggi dibandingkan kondisi 2,0 m/s.
Hal ini menunjukkan bahwa penurunan face velocity dapat memberikan keuntungan dari sisi konsumsi energi kipas, meskipun ukuran unit menjadi lebih besar.
Cooling dan Heating Coil
Pada kondisi kecepatan udara yang lebih rendah, waktu tinggal udara di dalam coil meningkat. Dalam contoh yang dianalisis, konfigurasi coil dengan jumlah baris yang lebih sedikit dapat digunakan.
Perbedaan tersebut menghasilkan penurunan pressure drop sekitar 20% pada cooling coil dan sekitar 47% pada heating coil dibandingkan konfigurasi pada kecepatan udara yang lebih tinggi.
Angka tersebut merupakan hasil dari contoh kasus tertentu sehingga tidak dapat digunakan sebagai nilai universal untuk semua desain AHU. Karakteristik coil, airflow, temperatur, material, jumlah baris, fin spacing, dan kondisi operasi dapat menghasilkan nilai yang berbeda.
Tahap Filtrasi
Pada tahap filtrasi ePM1 85%, yang umum digunakan sebagai bagian dari sistem filtrasi sebelum filter absolut pada aplikasi tertentu, kecepatan udara yang lebih rendah juga memberikan kondisi pressure drop yang lebih menguntungkan.
Namun, desain filtrasi tetap perlu mempertimbangkan efisiensi filter, kapasitas penahanan partikel, luas media filter, kondisi operasi, serta persyaratan kualitas udara dari fasilitas yang dilayani.
Baca juga: Sistem Tata Udara HVAC di Industri Farmasi
Apakah Face Velocity 2,0 m/s Lebih Efisien?
Berdasarkan contoh perhitungan tersebut, AHU dengan face velocity 2,0 m/s memiliki static pressure sekitar 1.202 Pa dan Specific Fan Power (SFP) sebesar 1,79 kW/(m³/s).
Sementara itu, pada face velocity 2,54 m/s, static pressure berada di sekitar 1.251 Pa dan SFP sekitar 1,87 kW/(m³/s).
Dengan demikian, pada contoh tersebut:
- Static pressure pada 2,54 m/s sekitar 4% lebih tinggi.
- SFP pada 2,54 m/s sekitar 4,5% lebih tinggi.
- Face velocity 2,0 m/s menghasilkan kebutuhan energi kipas yang lebih rendah.
- Konsekuensinya, AHU pada 2,0 m/s memiliki ukuran fisik yang lebih besar.
Jika unit diasumsikan beroperasi sekitar 8.000 jam per tahun, perbedaan konsumsi energi dapat menjadi faktor penting dalam evaluasi biaya sepanjang umur peralatan.
Namun, keputusan desain tidak sebaiknya hanya didasarkan pada penghematan listrik. Analisis yang lebih lengkap idealnya mencakup Net Present Value (NPV) atau metode life-cycle cost analysis lainnya dengan memperhitungkan investasi awal, energi, penggantian filter, pemeliharaan, serta perubahan pressure drop selama masa operasi.
Apakah Face Velocity Harus Diturunkan di Bawah 2,0 m/s?
Menurunkan face velocity tidak selalu menghasilkan penghematan energi yang sebanding. Ketika kecepatan udara diturunkan hingga di bawah 2,0 m/s, pengurangan SFP berdasarkan contoh yang dianalisis tidak lagi menunjukkan keuntungan yang signifikan. Pada titik tertentu, tambahan ukuran AHU dan biaya investasi dapat menjadi lebih besar dibandingkan manfaat penghematan energi yang diperoleh.
Karena itu, 2,0 m/s dapat dipandang sebagai salah satu nilai pertimbangan yang masuk akal dalam contoh analisis tersebut, bukan sebagai angka wajib untuk seluruh aplikasi AHU farmasi.
Kesimpulan
Pemilihan face velocity pada cooling coil AHU perlu dilakukan dengan mempertimbangkan keseimbangan antara ukuran unit, biaya investasi, pressure drop, kebutuhan energi, konfigurasi coil, filtrasi, dan kondisi operasional.
Kecepatan udara yang lebih tinggi memungkinkan AHU dibuat lebih kompak, tetapi dapat meningkatkan pressure drop dan kebutuhan energi fan. Sebaliknya, kecepatan yang lebih rendah membutuhkan unit dengan ukuran lebih besar, tetapi berpotensi memberikan pressure drop dan konsumsi energi yang lebih rendah.
Dalam contoh AHU berkapasitas 30.000 m³/jam, perbandingan antara 2,0 m/s dan 2,54 m/s menunjukkan adanya keuntungan energi pada kecepatan 2,0 m/s. Namun, keputusan akhir tetap perlu didasarkan pada perhitungan teknis dan ekonomi untuk kondisi proyek yang sebenarnya.
Dengan demikian, tidak ada satu nilai face velocity yang dapat diterapkan secara otomatis pada seluruh sistem HVAC farmasi. Pemilihannya sebaiknya menjadi bagian dari proses optimasi desain AHU dengan mempertimbangkan performa termal, filtrasi, pressure drop, konsumsi energi, ruang instalasi, serta biaya sepanjang umur sistem.
