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.

Tekanan hidrostatis diambil dari Bab 9 · Fisika tentang fluida statis, debit dan kontinuitas dari Bab 1 · Fluida & Termal tentang tekanan, debit, dan kontinuitas, rugi tekan dari Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan, dan pompa dari Bab 3 · Fluida & Termal tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi. Katup penurun tekanan dan palu air dibahas di Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO, dan ukuran pipa menurut beban pemakaian di Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa. 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.

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 (ground water tank): 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 (riser): membawa air naik atau turun melewati lantai-lantai. Pada gedung bertingkat dianjurkan memasang katup di kaki setiap pipa tegak suplai, 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.

Susunan paling sederhana adalah 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 9 · Fisika tentang fluida statis:

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

dengan $p$ tekanan ukur dalam Pa, $\rho$ massa jenis air, sekitar 1.000 kg/m³, $g = 9{,}81$ m/s², dan $h$ tinggi permukaan air di atas titik itu dalam meter. Untuk air, setiap 10,2 m kolom air memberi sekitar 1 bar (100 kPa). Dalam satuan Amerika, hubungan yang sama ditulis: 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 tentang Bernoulli dan rugi tekan. Karena itu ada dua angka tekanan. Tekanan statis (static pressure) adalah tekanan ketika semua keran tertutup, dan tekanan dinamis (flow pressure) adalah tekanan ketika air mengalir. Yang menentukan kerja peralatan adalah tekanan dinamis, bukan tekanan statis. Bila tidak ada manometer, dianjurkan meminta tekanan statis dan tekanan sisa dari penyedia air secara tertulis.

Empat sistem penyediaan air

Penyediaan air bersih gedung dibedakan menjadi empat sistem: sambungan langsung, tangki atap, tangki tekan, dan pompa penguat langsung.

Sistem sambungan langsung

Sistem sambungan langsung (direct supply system) adalah sistem yang fixture-nya 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 memakai tangki atap (roof tank), yaitu tangki di atap gedung yang membagikan air ke lantai-lantai di bawahnya dengan gravitasi; air dari tangki bawah dipompa ke tangki itu. Keuntungannya: tekanan stabil karena hanya bergantung pada tinggi permukaan air, cadangan air tersedia ketika listrik padam, dan pompa bekerja dengan siklus panjang yang jarang. Perawatan tangki atap sangat sederhana dibandingkan tangki tekan.

Kelemahannya adalah kasus pembuka. Lantai teratas hanya beberapa meter di bawah permukaan tangki, sehingga tekanannya rendah; 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; 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. Tangki tekan (pressure tank), yang juga disebut hidrofor, adalah 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.

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 volume air yang benar-benar dapat dipakai hanya sekitar 10 persen volume tangki karena udara larut dan terbawa keluar. Hukum Boyle (Boyle's law) menyatakan bahwa pada suhu tetap, tekanan mutlak kali volume udara tetap:

$p_1 V_1 = p_2 V_2$

dengan $p$ tekanan mutlak, yaitu tekanan ukur ditambah tekanan atmosfer sekitar 1,01 bar, dan $V$ volume udara. Hukum ini menjelaskan mengapa volume pakai 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. Pompa penguat (booster pump) adalah pompa untuk menaikkan tekanan di jalur suplai air. Alat pengatur tekanan di pipa keluaran pompa dipakai untuk menjaga tekanan yang memadai di jaringan. Di rumah, pompa penguat pancuran adalah salah satu pilihan.

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 tangki atap umumnya dibuat dari plastik berpenguat serat kaca. Sistem dengan banyak titik keluar memerlukan tangki penyimpanan yang cukup besar untuk menampung kebutuhan yang berubah-ubah. Praktik perancangan Amerika Serikat memperkirakan kapasitas tangki atap dengan dua cara, 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. Mikroorganisme adalah pencemar air yang hidup dan dapat berkembang biak di seluruh sistem air. Air tanah dan air hujan harus dicegah 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 tentang sel, pertumbuhan mikroba, kontaminasi, dan pengendalian.

Zona tekanan dan katup penurun tekanan

Pada gedung tinggi, satu tangki atap tidak dapat melayani semua lantai tanpa membuat lantai bawah bertekanan berlebih. Karena itu jaringan dibagi menjadi zona. Zona tekanan (pressure zone) adalah bagian jaringan yang dilayani tangki, pompa, atau katup penurun tekanan sendiri, sehingga tekanan di setiap lantainya tetap di antara batas bawah dan atas. Katup penurun tekanan (pressure reducing valve) adalah katup yang menurunkan tekanan air yang masuk ke bagian jaringan di hilirnya. Perencanaannya dimulai dengan menentukan tekanan tertinggi yang mungkin di masukan setiap katup penurun tekanan, lalu menghitung tekanan di lokasi-lokasi yang ditentukan. Katup berpilot (pilot-operated valve) 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. Palu air (water hammer) adalah lonjakan tekanan ketika aliran dihentikan mendadak, misalnya oleh katup yang menutup. Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO 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 4 menunjukkan cara menentukan lantai mana yang memerlukan katup penurun tekanan, dan batas 4,0 bar di contoh itu hanya untuk 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:

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

dengan $\Delta z$ beda tinggi masukan peralatan di atas titik tekanan sumber dan $\Delta p_\text{gesek}$ rugi gesek di sepanjang jalur; semua suku dalam satuan tekanan yang sama, misalnya kPa.

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 tentang washer-extractor. Bak yang memerlukan 300 L, misalnya, terisi dalam 7,5 menit pada 40 L/menit, tetapi 15 menit pada 20 L/menit; dengan tiga kali pengisian per siklus, siklus memanjang 22,5 menit. Pompa penguat lokal untuk lantai teratas, atau zona pompa terpisah, adalah jawaban yang biasa (Contoh 5). Data tekanan dan debit dicatat saat komisioning, seperti di Bab 10 · Dishwashing tentang instalasi dan komisioning mesin pencuci piring.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

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, yaitu 29 kPa. Tekanan dinamis $83 - 29 = 54$ kPa, sekitar 0,54 bar. Bila manual mesin mensyaratkan minimal 1 bar dinamis, 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: 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, 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 5: 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, sehingga pompa harus menambah 1,5 bar, sekitar 15,3 m, ditambah rugi gesek jalurnya. Daya hidrolik $P = \rho g Q H$ untuk 15,3 m: $1.000 \times 9{,}81 \times 0{,}00133 \times 15{,}3 = 200$ W.

Contoh 6: cadangan tangki bawah. Kebutuhan rata-rata gedung 2,5 m³/jam. 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 dan laporkan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan, yang memutuskan kapan pekerjaan boleh dilanjutkan, 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 tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 9 · Fisika tentang fluida statis memberi tekanan hidrostatis, Bab 1 · Fluida & Termal tentang tekanan, debit, dan kontinuitas memberi debit dan kontinuitas, Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan memberi rugi tekan, dan Bab 3 · Fluida & Termal tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi memberi dasar pompa. Bab 10 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi tekanan pada instalasi RO membahas katup penurun tekanan dan palu air, Bab 1 · Biologi & Mikrobiologi tentang sel, pertumbuhan mikroba, kontaminasi, dan pengendalian membahas mikroorganisme di air, Bab 10 · Laundry tentang washer-extractor membahas waktu isi mesin cuci, Bab 10 · Dishwashing tentang instalasi dan komisioning mesin pencuci piring membahas komisioning, dan Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti menjadi dasar kondisi berhenti. Bab 4 tentang material pipa dan alat sambung memberi bahan pipa untuk sistem ini, dan Bab 8 tentang kebutuhan air dan ukuran pipa menghitung beban puncak.

Latihan dan pembahasan

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