Sistem penyediaan air bersih gedung: sambungan langsung, tangki atap, tangki tekan, pompa penguat, dan zona tekanan

Sebuah hotel enam lantai memindahkan sebagian laundry ke lantai teratas, dekat ruang mesin atap. Mesin cuci yang sama yang di lantai dasar mengisi bak dalam tujuh menit kini memerlukan hampir lima belas menit, dan sesekali mesin berhenti dengan alarm "air tidak masuk". Di lantai dasar, petugas dapur mengeluh keran wastafel menyemprot terlalu keras dan katup pengisi mesin pencuci piring sudah dua kali bocor tahun ini. Pengelola gedung bertanya mengapa air di gedung yang sama terasa "lemah di atas, keras di bawah".

Jawabannya ada pada cara gedung itu membagikan air: dari tangki di atap, dengan gravitasi, melalui pipa tegak yang melewati semua lantai. Bab ini menjelaskan sistem-sistem penyediaan air bersih di gedung, cara menghitung tekanan di setiap lantai, dan cara membaca apakah tekanan dan debit cukup untuk peralatan yang dipasang.

Batas pembahasan

Bab ini membahas komponen sistem air bersih, tekanan statis, empat sistem penyediaan air, tangki bawah dan tangki atap, zona tekanan dan katup penurun tekanan, serta kebutuhan tekanan dan debit peralatan. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Teknik Bangunan dan Fasilitas, terutama bagian Sistem Plumbing Gedung Lanjutan tentang sistem penyediaan air bersih gedung bertingkat yang mengacu SNI 8153-2015 dari buku plumbing gedung bertingkat, serta tekanan air dalam sistem distribusi, tangki atap, dan tangki tekan dari Practical Plumbing Engineering; narasi juga memuat buku perancangan plumbing (ASPE Vol 1 dan Vol 4), buku plumbing rumah, dan buku plumbing dan pemanas sentral.

Tekanan hidrostatis diambil dari bab fluida statis rak Fisika, debit dan kontinuitas dari Bab 1 · Fluida & Termal, rugi tekan dari Bab 2 · Fluida & Termal, dan pompa dari Bab 3 · Fluida & Termal. Katup penurun tekanan dan palu air dibahas di Bab 10 · Air & Pengolahan Air, dan ukuran pipa menurut beban pemakaian di bab kebutuhan air di tingkat berikutnya rak ini. Tekanan minimum dan maksimum di titik pemakaian, batas tekanan per zona, kapasitas tangki, dan ketentuan sambungan ke jaringan air minum kota diatur SNI 8153-2015, peraturan setempat, dan penyedia air; angkanya tidak disalin di sini. Angka yang diberi tanda angka latihan dipakai untuk menunjukkan cara hitung.

Dari sumber ke keran: komponen sistem

Air bersih gedung mengalir melalui rangkaian komponen yang hampir selalu sama:

1. Sumber: sambungan dari jaringan penyedia air kota melalui meter, sumur dalam, atau keduanya.
2. Tangki bawah: menampung air dari sumber, sehingga gedung tidak bergantung pada tekanan dan kontinuitas jaringan kota.
3. Pompa: mengangkat air ke tangki atap atau menekan air langsung ke jaringan gedung.
4. Tangki atap atau tangki tekan: menyimpan air dan menyediakan tekanan.
5. Pipa tegak: membawa air naik atau turun melewati lantai-lantai. Practical Plumbing Engineering dalam sumber menganjurkan memasang katup di kaki setiap pipa tegak suplai pada gedung bertingkat, sehingga satu kolom dapat diisolasi tanpa mematikan seluruh gedung.
6. Cabang dan titik pemakaian: keran, fixture, dan peralatan seperti mesin cuci, mesin pencuci piring, dan unit RO.

Buku pengantar plumbing dalam sumber menggambarkan susunan paling sederhana, ketika semua keran air dingin langsung diberi air dari pipa utama yang naik. Gedung yang lebih besar memerlukan susunan yang lebih rumit karena satu sumber tekanan tidak mungkin cocok untuk semua lantai.

Tekanan statis dan tinggi kolom air

Tekanan air yang diam di suatu titik ditentukan oleh tinggi permukaan air di atasnya, seperti dibahas di bab fluida statis:

$p = \rho\,g\,h$

Untuk air, setiap 10,2 m kolom air memberi sekitar 1 bar (100 kPa). Narasi mencatat bentuk Amerika dari hubungan yang sama: setiap 2,31 ft, sekitar 0,70 m, menambah 1 psi, sekitar 6,9 kPa. Hubungan ini berlaku dua arah. Titik yang 10 m di bawah permukaan tangki menerima sekitar 1 bar dari kolom air saja, dan titik yang 10 m di atas sebuah manometer memiliki tekanan 1 bar lebih rendah daripada manometer itu, selama air diam.

Ketika air mengalir, sebagian tekanan habis untuk melawan gesekan di pipa, fitting, dan katup, seperti dibahas di Bab 2 · Fluida & Termal. Karena itu ada dua angka tekanan: tekanan statis ketika semua keran tertutup, dan tekanan dinamis ketika air mengalir. Yang menentukan kerja peralatan adalah tekanan dinamis, bukan tekanan statis. ASPE Vol 1 dalam sumber menganjurkan, bila tidak ada manometer, meminta tekanan statis dan tekanan sisa dari penyedia air secara tertulis.

Sistem sambungan langsung

Bagian plumbing lanjutan dalam narasi, mengutip buku plumbing gedung bertingkat yang mengacu SNI 8153-2015, menyebut empat sistem penyediaan air bersih gedung. Yang pertama adalah sambungan langsung: fixture terhubung langsung ke pipa utama penyedia air. Sistem ini cocok untuk rumah dan gedung kecil bila tekanan di pipa utama memadai.

Kelemahannya, gedung sepenuhnya bergantung pada tekanan dan kontinuitas jaringan kota. Ketika tekanan jaringan turun pada jam sibuk, lantai yang lebih tinggi kehilangan air lebih dulu. Ketika aliran berhenti, gedung tidak punya cadangan.

Sistem tangki atap

Sistem kedua adalah tangki atap. Air dari tangki bawah dipompa ke tangki atap, lalu dibagikan ke lantai-lantai di bawahnya dengan gravitasi. Practical Plumbing Engineering dalam sumber membahas sistem tangki air tinggi ini beserta susunan pipanya. Keuntungannya: tekanan stabil karena hanya bergantung pada tinggi permukaan air, cadangan air tersedia ketika listrik padam, dan pompa bekerja dengan siklus panjang yang jarang. Buku plumbing gedung bertingkat dalam sumber mencatat bahwa perawatan tangki atap sangat sederhana dibandingkan tangki tekan.

Kelemahannya adalah kasus pembuka. Lantai teratas hanya beberapa meter di bawah permukaan tangki, sehingga tekanannya rendah; narasi mencatat bahwa lantai teratas biasanya memerlukan pompa penguat tambahan. Sebaliknya, lantai terbawah menerima tekanan statis dari seluruh tinggi gedung, sehingga keran menyembur dan katup cepat aus (Contoh 1 dan Contoh 2). Tangki atap juga berat; Practical Plumbing Engineering dalam sumber mengingatkan bahwa kegagalan tangki yang parah dapat membanjiri atap, sehingga dudukan dan strukturnya harus dirancang untuk beban air penuh.

Sistem tangki tekan (hidrofor)

Sistem ketiga memakai tangki tekan. Practical Plumbing Engineering dalam sumber mendefinisikan tangki tekan sebagai wadah baja silinder tertutup untuk menyimpan air bertekanan. Udara di bagian atas tangki dimampatkan ketika pompa mengisi air, dan udara yang terdesak itulah yang mendorong air ke jaringan ketika pompa berhenti. Pompa menyala pada tekanan bawah dan mati pada tekanan atas.

Narasi mencatat bahwa tangki dirancang agar volume udara tidak lebih dari 30 persen dan air 70 persen, dengan selisih tekanan kerja sekitar 1,0 sampai 1,5 kg/cm², dan bahwa volume air yang benar-benar dapat dipakai hanya sekitar 10 persen volume tangki karena udara larut dan terbawa keluar. Hukum Boyle menjelaskan mengapa angka itu kecil: udara hanya mengembang sebanding perbandingan tekanan mutlak, dan selisih antara tekanan nyala dan mati kecil dibanding tekanan mutlaknya (Contoh 3). Tangki dengan kantong atau membran karet memisahkan udara dari air, sehingga udara tidak hilang.

Bila volume udara di tangki berkurang, pompa menyala dan mati sangat sering dalam waktu singkat. Gejala ini, yang sering disebut pompa "berkedip", mempercepat keausan kontaktor dan motor, dan biasanya berarti tangki perlu diisi udara ulang atau membrannya bocor.

Sistem pompa penguat langsung

Sistem keempat memompa air dari tangki bawah langsung ke jaringan tanpa tangki atap, biasanya dengan beberapa pompa paralel yang dikendalikan penggerak kecepatan variabel untuk menjaga tekanan tetap. Practical Plumbing Engineering dalam sumber mendefinisikan pompa penguat sebagai pompa untuk menaikkan tekanan di jalur suplai air, dan buku yang sama, dalam narasi Fluida & Termal, mencatat bahwa alat pengatur tekanan di pipa keluaran pompa dipakai untuk menjaga tekanan yang memadai di jaringan. Buku plumbing dan pemanas sentral dalam sumber menyebut pompa penguat pancuran sebagai salah satu pilihan di rumah.

Narasi mencatat bahwa sistem yang memompa langsung dari pipa utama penyedia air tanpa tangki sebenarnya dilarang di Indonesia, baik oleh penyedia air maupun pada jaringan pipa utama permukiman. Alasannya fisika yang sama: pompa yang menyedot langsung dari pipa utama menurunkan tekanan di jaringan tetangga, dan pada tekanan sangat rendah dapat menarik air kotor masuk ke jaringan melalui sambungan yang bocor. Pompa penguat gedung selalu menyedot dari tangki bawah. Ketentuan sambungan ke jaringan kota diambil dari penyedia air setempat.

Tangki bawah dan tangki atap: kapasitas dan kebersihan

Tangki bawah menampung air dari sumber secara terus-menerus, dan menurut narasi tangki atap umumnya dibuat dari plastik berpenguat serat kaca. ASPE Vol 4 dalam sumber menyebut perlunya tangki penyimpanan yang cukup besar untuk menampung kebutuhan yang berubah-ubah pada sistem dengan banyak titik keluar. Narasi memberi dua cara perkiraan kapasitas tangki atap dari buku Amerika: berdasarkan jumlah penghuni atau luas lantai, dan menganjurkan pompa pengisi yang mampu mengisi ulang cadangan dalam sekitar satu jam, dengan dua pompa paralel untuk cadangan. Kapasitas tangki untuk gedung di Indonesia ditetapkan perencana menurut SNI dan kebutuhan gedung.

Tangki adalah tempat air paling lama diam, sehingga paling rentan tercemar. Practical Plumbing Engineering dalam sumber menyebut mikroorganisme sebagai pencemar air yang hidup dan dapat berkembang biak di seluruh sistem air. Buku plumbing gedung bertingkat dalam sumber menekankan perlunya mencegah air tanah dan air hujan masuk ke dalam tangki. Tangki harus tertutup rapat, lubang ventilasinya bersaringan, pipa luapannya berujung bebas di atas saluran, dan tangki dibersihkan dan didisinfeksi berkala. Mikroorganisme di air dibahas di Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi.

Zona tekanan dan katup penurun tekanan

Pada gedung tinggi, satu tangki atap tidak dapat melayani semua lantai tanpa membuat lantai bawah bertekanan berlebih. Jaringan dibagi menjadi zona: setiap zona dilayani tangki, pompa, atau katup penurun tekanan sendiri, sehingga tekanan di setiap lantai tetap di antara batas bawah dan atas. Practical Plumbing Engineering dalam sumber memuat langkah menentukan tekanan tertinggi yang mungkin di masukan setiap katup penurun tekanan dan menghitung tekanan di lokasi-lokasi yang ditentukan, dan mencatat bahwa katup berpilot adalah gabungan dua katup pengatur tekanan dalam satu rumah.

Tekanan berlebih tidak hanya membuat keran menyembur. Tekanan tinggi mempercepat keausan dudukan katup, memperbesar lonjakan palu air ketika katup solenoid mesin menutup, dan memperbesar kebocoran. Bab 10 · Air & Pengolahan Air membahas katup penurun tekanan dan palu air di instalasi RO, dan prinsipnya sama untuk peralatan lain. Batas tekanan per zona ditetapkan perencana menurut SNI dan petunjuk pabrik peralatan; Contoh 5 menunjukkan cara menentukan lantai mana yang memerlukan katup penurun tekanan, dengan batas angka latihan.

Tekanan dan debit untuk peralatan laundry dan dapur

Setiap peralatan memiliki rentang tekanan masuk yang disyaratkan pabriknya. Mesin cuci, mesin pencuci piring, dan unit RO memakai katup solenoid dan pengatur aliran yang dirancang untuk rentang itu. Di bawah batas bawah, pengisian lambat dan mesin dapat berhenti dengan alarm waktu isi; di atas batas atas, katup bocor dan palu air menguat.

Tekanan dinamis di masukan peralatan dihitung dari tekanan sumber dikurangi beda tinggi dan rugi gesek:

$p_\text{masuk} = p_\text{sumber} - \rho g \Delta z - \Delta p_\text{gesek}$

Pada kasus pembuka, lantai teratas mendapat tekanan statis yang rendah, dan ketika dua mesin mengisi bersamaan, rugi gesek di pipa cabang menurunkannya lebih jauh (Contoh 2). Waktu isi mesin cuci sebanding terbalik dengan debit, sehingga debit yang separuh menggandakan waktu isi dan memperpanjang setiap siklus, seperti dibahas di Bab 10 · Laundry. Pompa penguat lokal untuk lantai teratas, atau zona pompa terpisah, adalah jawaban yang biasa. Data tekanan dan debit dicatat saat komisioning, seperti di Bab 10 · Dishwashing untuk mesin pencuci piring.

Contoh kerja

Contoh 1. Tekanan statis per lantai di bawah tangki atap. Gedung enam lantai, tinggi lantai 3,5 m, titik keran 1,0 m di atas lantai, dan permukaan air tangki atap 27 m di atas lantai dasar. Lantai 6: $27 - (5 \times 3{,}5 + 1{,}0) = 8{,}5$ m, yaitu $1.000 \times 9{,}81 \times 8{,}5 = 83$ kPa. Lantai dasar: $27 - 1{,}0 = 26$ m, yaitu 255 kPa. Tekanan statis di lantai dasar tiga kali lantai teratas.

Contoh 2. Tekanan dinamis di lantai teratas. Dari 83 kPa statis, rugi gesek pipa tegak dan cabang saat dua mesin mengisi bersamaan 3,0 m kolom air (angka latihan), yaitu 29 kPa. Tekanan dinamis $83 - 29 = 54$ kPa, sekitar 0,54 bar. Bila mesin mensyaratkan minimal 1 bar dinamis (angka latihan dari manual mesin), tekanannya hanya separuh.

Contoh 3. Volume pakai tangki tekan. Tangki 500 L tanpa membran, 30 persen udara (150 L) saat pompa mati pada 3,5 bar ukur (4,51 bar mutlak). Saat tekanan turun ke 2,0 bar ukur (3,01 bar mutlak), menurut Boyle volume udara $150 \times 4{,}51/3{,}01 = 225$ L. Air yang keluar $225 - 150 = 75$ L, hanya 15 persen volume tangki, dan berkurang lagi bila sebagian udara larut.

Contoh 4. Pompa pengisi tangki atap. Tangki atap 10 m³ diisi dalam satu jam: $Q = 10/3.600 = 0{,}00278$ m³/s. Tinggi angkat 30 m ditambah rugi gesek 5 m (angka latihan), $H = 35$ m. Daya hidrolik $1.000 \times 9{,}81 \times 0{,}00278 \times 35 = 954$ W; dengan efisiensi pompa 60 persen, daya poros sekitar 1,6 kW.

Contoh 5. Lantai yang memerlukan katup penurun tekanan. Gedung 20 lantai dengan tinggi lantai 3,5 m dan permukaan air tangki atap 75 m di atas titik keran lantai dasar. Bila batas tekanan statis zona ditetapkan 4,0 bar (angka latihan), tinggi kolom air maksimum $4{,}0 \times 10{,}2 = 40{,}8$ m. Titik yang lebih dari 40,8 m di bawah permukaan tangki, yaitu di bawah ketinggian $75 - 40{,}8 = 34{,}2$ m, memerlukan katup penurun tekanan: lantai 1 sampai 10.

Contoh 6. Pompa penguat untuk dua mesin cuci. Dua mesin masing-masing 40 L/menit, total 80 L/menit atau 1,33 L/s. Tekanan dinamis yang tersedia 0,5 bar dan yang disyaratkan 2,0 bar (angka latihan), sehingga pompa harus menambah 1,5 bar, sekitar 15,3 m, ditambah rugi gesek jalurnya. Daya hidrolik untuk 15,3 m: $1.000 \times 9{,}81 \times 0{,}00133 \times 15{,}3 = 200$ W.

Contoh 7. Waktu isi mesin cuci. Bak memerlukan 300 L. Pada 40 L/menit, waktu isi 7,5 menit; pada 20 L/menit karena tekanan rendah, 15 menit. Dengan tiga kali pengisian per siklus, siklus memanjang 22,5 menit.

Contoh 8. Konversi tinggi kolom air. 1 bar $= 100$ kPa $\approx 10{,}2$ m kolom air. 1 psi $= 6{,}89$ kPa $\approx 0{,}70$ m, sesuai 2,31 ft per psi di sumber. Manometer 2,5 bar di lantai dasar setara kolom air sekitar 25,5 m.

Contoh 9. Cadangan tangki bawah. Kebutuhan rata-rata gedung 2,5 m³/jam (angka latihan). Untuk bertahan 8 jam tanpa pasokan dari jaringan kota, cadangan yang tersedia di tangki bawah dan atap minimal $2{,}5 \times 8 = 20$ m³, sebelum ditambah cadangan untuk kebutuhan puncak dan pemadam kebakaran bila disyaratkan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Tangki atap atau tangki bawah akan dimasuki untuk dibersihkan tanpa prosedur ruang terbatas, ventilasi, dan orang yang berjaga di luar. Ikuti Bab 1 · Keselamatan.
2. Tangki tekan atau pompa penguat akan dibuka sebelum listrik pompa diisolasi dan tekanan di tangki dibuang.
3. Pompa akan dipasang menyedot langsung dari pipa utama penyedia air tanpa tangki dan tanpa izin penyedia air.
4. Tekanan di titik pemakaian melebihi batas pabrik peralatan, katup pengaman sering membuang air, atau terdengar palu air keras; jangan memasang peralatan sebelum tekanannya diturunkan.
5. Tangki atau tutupnya retak, berlumut, atau terbuka sehingga air hujan, serangga, atau hewan dapat masuk. Air itu tidak boleh dipakai untuk air minum dan pengolahan pangan sampai tangki dibersihkan dan didisinfeksi.
6. Dudukan tangki atap retak, miring, atau berkarat. Tangki berisi air penuh sangat berat.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Tekanan di semua lantai sama karena airnya dari tangki yang sama." Tekanan statis bertambah sekitar 1 bar setiap 10,2 m ke bawah.

"Tekanan statis yang cukup berarti peralatan akan berfungsi." Yang menentukan adalah tekanan dinamis saat air mengalir, setelah dikurangi rugi gesek.

"Tangki tekan 500 L memberi 500 L air tanpa pompa." Volume pakai tangki tanpa membran hanya sekitar 10 sampai 15 persen (Contoh 3).

"Pompa berkedip berarti pompanya rusak." Gejala ini biasanya berarti udara di tangki tekan habis atau membrannya bocor.

"Tekanan makin tinggi makin baik." Tekanan berlebih mempercepat keausan katup, memperkuat palu air, dan memperbesar kebocoran.

"Pompa boleh menyedot langsung dari pipa kota agar lebih kuat." Cara itu menurunkan tekanan jaringan tetangga, dapat menarik pencemar, dan menurut sumber dilarang.

Hubungan dengan bab lain

Bab fluida statis rak Fisika memberi tekanan hidrostatis, Bab 1 · Fluida & Termal debit dan kontinuitas, Bab 2 · Fluida & Termal rugi tekan, Bab 3 · Fluida & Termal pompa, Bab 10 · Air & Pengolahan Air katup penurun tekanan dan palu air, Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi mikroorganisme di air, Bab 10 · Laundry waktu isi mesin cuci, Bab 10 · Dishwashing komisioning mesin pencuci piring, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Bab material pipa memberi bahan pipa untuk sistem ini, dan bab kebutuhan air dan ukuran pipa di tingkat berikutnya menghitung beban puncak.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Berapa tekanan statis di titik 15 m di bawah permukaan air tangki atap?
2. Berapa tinggi kolom air yang setara dengan 3 bar?
3. Tangki tekan 300 L tanpa membran berisi 30 persen udara saat pompa mati pada 4,0 bar ukur. Berapa air yang keluar sampai tekanan turun ke 2,5 bar ukur?
4. Berapa daya poros pompa untuk 5 m³/jam pada tinggi tekan 30 m dengan efisiensi 60 persen?
5. Mengapa lantai teratas di bawah tangki atap sering kekurangan tekanan?
6. Mengapa pompa gedung tidak boleh menyedot langsung dari pipa utama penyedia air?

Kunci jawaban beralasan

1. $p = 1.000 \times 9{,}81 \times 15 = 147$ kPa, sekitar 1,47 bar, karena tekanan statis sebanding dengan tinggi kolom air.
2. $h = 300.000/(1.000 \times 9{,}81) = 30{,}6$ m, karena 1 bar setara sekitar 10,2 m kolom air.
3. Udara 90 L pada 5,01 bar mutlak mengembang menjadi $90 \times 5{,}01/3{,}51 = 128$ L pada 3,51 bar mutlak, sehingga air yang keluar sekitar 38 L.
4. $Q = 5/3.600 = 0{,}00139$ m³/s; daya hidrolik $1.000 \times 9{,}81 \times 0{,}00139 \times 30 = 409$ W; daya poros $409/0{,}6 = 680$ W.
5. Lantai teratas hanya beberapa meter di bawah permukaan air tangki, sehingga tekanan statisnya kecil, dan rugi gesek saat air mengalir menguranginya lagi.
6. Pompa yang menyedot langsung menurunkan tekanan di jaringan kota untuk pemakai lain dan pada tekanan sangat rendah dapat menarik pencemar masuk; pompa gedung harus menyedot dari tangki bawah.

Referensi