[ ] (15) Persamaan energi pada aliran di sekitar tanaman dituliskan dengan
IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.3 Distribusi Suhu
4.3.1 Distribusi Suhu pada Rumah Tanaman Tanpa Tanaman
Perbedaan nilai suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi menggunakan CFD direpresentasikan dengan gradasi warna yang berbeda. Nilai suhu terendah diwakili dengan warna biru sedangkan nilai suhu tertinggi diwakili dengan warna merah. Ketika rumah tanaman kosong dimana tidak ada aktifitas tumbuhan di dalamnya, angin bertiup dari arah utara yang berarti searah dengan sumbu x (lihat Gambar 6). Namun, distribusi suhu di dalam rumah tanaman cenderung merata dan perbedaan suhu antara di dalam dengan di luar rata-rata hanya sekitar 0.6 °C.
Arah angin yang bertiup dari utara (searah dengan sumbu x) menyebabkan panas udara sedikit terbawa ke arah selatan. Gambar 21.a, menunjukkan sebaran suhu tampak atas pada ketinggian 0.5 m dari lantai. Suhu pada daerah ujung selatan di luar batas tembok rumah tanaman terlihat bahwa suhu di kedua pojok tersebut lebih panas dari suhu lingkungan luar lainnya. Hal ini terjadi karena daerah tersebut merupakan daerah yang berpotensi terjadi fenomena pusaran-pusaran lokal (vortex) yang diakibatkan oleh adanya sifat integrasi momentum udara terhadap dinding tembok dan lantai. Sementara itu nilai suhu udara yang panas berasal dari konveksi udara terhadap permukaan tembok dan lantai. Hal ini dapat dibuktikan dengan membandingkan antara kontur sebaran suhu pada Gambar 21.a dengan sebaran suhu udara pada Gambar 21.b, dimana pada ketinggian 1.5 dari lantai, pusaran udara panas di daerah luar pojok selatan tidak tampak.
52
Gambar 21 Cut plot suhu udara rumah tanaman tampak atas; (a) 0.5 m, (b) 1.5 m, dan (c) 2 m dari lantai; tanpa tanaman.
Keseragaman distribusi suhu di dalam rumah tanaman juga dapat dilihat pada kontur suhu yang disajikan secara tampak dari depan bangunan. Suhu udara yang tersebar di dalam rumah tanaman antara 30.7 °C sampai 32.7 °C. Pada bidang jarak 3 meter dari pintu depan (Gambar 22.a), suhu
c a
53
udara di wilayah atas yang dekat dengan bukaan, terlihat lebih rendah dan hampir sama dengan nilai suhu udara di lingkungan luar. Bagian layer tengah dan bawah terlihat berbeda kisarannya yaitu sekitar 31.3°C sampai 32.7°C.
Suhu pada bagian bedengan terlihat lebih tinggi dari pada suhu di luar bedengan. Hal ini terjadi karena bedengan masih tidak difungsikan untuk mengalirkan air, sehingga beberapa parsel udara terjebak di dalamnya dan terpanaskan melalui konveksi udara yang bersumber dari bahan bedengan serta radiasi termal yang dipantulkan oleh permukaan bedengan ke udara di sekelilingnya. Sedangkan suhu pada bagian tembok dan lantai terlihat lebih tinggi antara 32.7 °C sampai 34.0 °C, dimana suhu pada permukaan solid baik tembok maupun lantai dipengaruhi oleh proses konduksi termal yang menangkap radiasi termal matahari.
Semakin ke belakang, dimana sejalan dengan arah pergerakan udara yaitu searah sumbu x, udara panas yang menyelimuti permukaan komponen rumah tanaman terlihat semakin tebal. Fenomena itu dapat dilihat dengan komparasi gambar kontur suhu hasil simulasi antara (Gambar 22.a, 22.b dan 22.c). Penebalan tersebut terjadi akibat akumulasi udara panas yang terbawa oleh hembusan angin dan integrasi momentum udara terhadap bidang solid, serta gaya gesek dan kekasaran permukaan solid yang dilalui udara.
Akumulasi udara panas pada wilayah bukaan terlihat sangat signifikan karena pada wilayah tersebut merupakan tempat terjadinya pertemuan dua permukaan solid yang saling berhadapan. Selain itu, wilayah bukaan menjadi tempat keluarnya udara panas yang berada di dalam rumah tanaman. Udara panas yang berada di dalam rumah tanaman terdorong bergerak ke atas dan keluar melalui bukaan atas dipicu oleh sifat efek bouyancy udara yang terpanaskan didekat permukaan atap dan dibantu oleh hembusan angin. Namun efek bouyancy dapat terkalahkan oleh hembusan angin yang tinggi.
54
Gambar 22 Cut plot suhu udara pada rumah tanaman tampak depan; (a) 3 m, (b) 6 m, dan (c) 9 m dari pintu depan; tanpa tanaman. Distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman dipengaruhi oleh angin yang menerpa bangunan rumah tanaman. Namun tiupan angin tertahan oleh sifat resistansi udara yang dimiliki dinding kasa. Karakteristik dinding kasa
c b a
55
rumah tanaman memiliki nilai porositas α sebesar 64.5%, nilai permeabilitas K sebesar 1.705 x 10-9 m-2 ,faktor inersia Y sebesar 10.94 x 10-2.
Wilayah depan atas merupakan wilayah yang paling dominan mendapatkan tekanan udara, dimana udara yang menerpa bangunan rumah tanaman profilnya semakin meningkat sejalan dengan penambahan ketinggian. Oleh karena itu, suhu udara pada bagian atas depan (kiri) membentuk semacam palung udara, yaitu suhu udara yang sama dengan suhu udara lingkungan (lihat Gambar 23).
Gambar 23. Cut plot suhu udara rumah tanaman tampak samping; pada bidang tengah; tanpa tanaman.
Dari Gambar 23 terlihat bahwa wilayah belakang bawah menunjukkan suhu yang sama dengan suhu lingkungan. Wilayah tersebut merupakan wilayah dimana terjadinya kehilangan tekanan total dari aliran udara yang terhalang oleh tembok bangunan rumah tanaman. Hilangnya tekanan total menyebabkan krisis udara yang mengalir pada bagian wilayah tersebut. Udara yang mengalir pada wilayah belakang umumnya berasal dari bangunan rumah tanaman yang bersifat lebih panas dibandingkan dengan udara di luar.
4.3.2 Distribusi Suhu pada Rumah Tanaman dengan Tanaman
Input data sebagai kondisi awal pada simulasi suhu dan aliran udara rumah tanaman yang ada aktifitas tanamannya, berasal dari data hasil pengukuran ketika fase generatif tanaman. Namun, dalam simulasi geometri tanaman tidak disertakan di dalam bangunan. Hanya saja, dampak dari aktifitas pertumbuhan tanaman yang dibudidayakan seperti respirasi dan
56
fotosistesis, berpengaruh nyata terhadap suhu udara di dalam rumah tanaman. Kemudian parameter suhu tersebut menjadi input simulasi. Oleh itu, simulasi ini dapat dikatakan simulasi distribusi suhu yang telah mempertimbangkan faktor efek dari aktifitas pertumbuhan tanaman. Namun parameter fisik dari aktifitas tanaman secara langsung tidak diikutsertakan, seperti panas sensibel, laju transpirasi udara pada tanaman, daya absorpsi tanaman terhadap gelombang termal matahari serta bentuk dan dimensi tanaman tidak diperhitungkan.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa tampak atas pada ketinggian 0.5 m dari lantai (Gambar 24.a), distribusi suhu cenderung dipengaruhi oleh proses konveksi bebas udara yang disekitar permukaan tembok yang bersifat radiatif. Perbedaan suhu udara ditunjukkan dengan gradasi warna sedangkan anak panah menunjukkan vektor arah bergeraknya udara. Besar kecilnya vektor udara menunjukkan kepadatan udara yang berhembus. Garis tebal berbentuk persegi yang berwarna merah merupakan tembok yang berbahan dasar permukaan semen dan tingginya hanya 0.5 m dari lantai. Bentuk lingkaran yang berwarna biru menunjukkan water torn yang berisi air dimana suhu air serta udara di dalamnya tidak diperhitungkan. Kemudian dua warna hitam pada garis tebal merah yang menunjukkan tembok adalah 2 unit kipas (exhaust fan) yang dipasang pada ketinggian 2 m dari lantai.
Kisaran sebaran suhu di dalam rumah tanaman mulai dari 31.9 °C sampai 32.4 °C. Suhu rendah atau hampir sama dengan suhu di luar rumah tanaman terdapat pada zona dimana aliran udara sedikit, yaitu pada zona tengah pusaran. Zona tersebut merupakan zona ditempatkannya bedengan tanaman yang dialiri air dengan suhu rendah untuk kebutuhan pendinginan pada zona perakaran dalam budidaya hidroponik. Selain itu, zona yang memiliki aliran udara rendah adalah zona dimana terjadinya kehilangan tekanan sehingga nilai tekanannya menjadi rendah (low pressure). Terjadinya tekanan rendah merupakan efek negatif dari peristiwa tumbukan atau momentum udara yang membentur dinding tembok maupun kasa (seperti zona yang berada di dekat pintu depan), sehingga jika tampak atas
57
udara membentuk pusaran hampir seperti sayap kupu-kupu, dimana pada bagian tengah udara berlawanan arah dari hembusan angin luar.
Gambar 24. Cut plot suhu udara pada rumah tanaman tampak atas; (a) 0.5 m, (b) 1.5 m, dan (c) 2 m dari lantai; terdapat tanaman.
a
b
58
Sebaran suhu udara pada ketinggian 1.5 m dari permukaan lantai menunjukkan nilai kisaran antara 31.9 °C sampai 32.3 °C (Gambar 24.b). Suhu yang tinggi terdapat pada zona permukaan luar pintu depan rumah tanaman, dimana panas terakumulasi akibat konveksi dari kusen pintu depan yang terbuat dari bahan logam besi alloy. Sebaran suhu pada ketinggian 2 m dari lantai (Gambar 24.c), terlihat lebih seragam dari pada sebaran suhu di daerah yang lebih rendah. Hal ini terjadi karena pada ketinggian 2 m sudah tidak terpengaruh oleh suhu rendah yang berasal dari bedengan air untuk tanaman hidroponik. Namun pada zona permukaan luar pintu depan terlihat jelas bahwa suhu lebih tinggi dari pada suhu di dalam karena adanya konveksi termal dari kusen pintu depan.
Gambar 25 menunjukkan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman tampak depan. Arah pergerakan angin dari selatan menuju utara menyebabkan panas udara terakumulasi di zona depan. Sementara itu, udara dari luar masuk ke dalam rumah tanaman dominan melalui ventilasi alamiah bukaan atas. Hal ini dapat dilihat dengan mengkomparasikan Gambar kontur suhu udara mulai dari depan sampai belakang secara berurutan (Gambar 25.a sampai Gambar 25.d). Semakin ke belakang, suhu udara di zona bukaan atas tampak lebih rendah. Selain itu, bedengan yang difungsikan untuk menanam tanaman dan dialiri air menjadikan suhu udara di sekitar bedengan ikut rendah dan panas udara akibat sifat radiatif termal dari permukaan lantai dapat teredam oleh dinginnnya air yang dialirkan dalam bedengan.
Pada bagian yang dekat dengan pintu depan (gambar 25.a dan Gambar 25.b) terlihat bahwa arah pergerakan udara mengarah ke luar bukaan atas, hal ini menyebabkan suhu udara yang panas menebal di permukaan atap rumah tanaman. Hal serupa terlihat pada kontur distribusi suhu udara tampak samping yang disajikan pada Gambar 26.
59
Gambar 25 Cut plot suhu udara pada rumah tanaman tampak depan; (a) 3 m, (b) 6 m, (c) 9 m, dan (d) 11.5 m, dari pintu depan; dengan tanaman.
a
b
d c
60
.
Gambar 26. Cut plot suhu udara rumah tanaman tampak samping; (a) bidang tengah; (b) 1 m, dan (c) 2 m dari bidang tengah; dengan pertumbuhan tanaman.
Dari sekian gambar Cut plot distribusi suhu, pengaruh dari exhaust fan ternyata tidak begitu tampak. Namun pada Gambar 26.c terlihat hanya sedikit sekali exhaust fan dapat membantu mengeluarkan udara panas yang ada di dalam rumah tanaman.
a
c b
61
