III. METODOLOGI PENELITIAN
3.3 Metode Penelitian
3.3.1 Persiapan Penelitian
Persiapan penelitian meliputi kegiatan sterilisasi rumah tanaman dari kotoran, terutama membersihkan lantai rumah tanaman dan memasang termokopel sesuai dengan titik-titik pengukuran (Gambar 4 dan 5).
Gambar 4.Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak atas (satuan m)
U
2.1 0.81.5
4.5
Gambar 5.Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak depan (satuan m)
3.3.2 Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian mencakup beberapa hal penting, yaitu pengukuran parameter iklim mikro rumah tanaman, simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, validasi hasil simulasi suhu, analisis pindah panas konveksi dan analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman.
a. Pengukuran Parameter Iklim Mikro
Pengukuran parameter iklim mikro pada rumah tanaman meliputi pengukuran suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas pemukaan lantai, pengukuran radiasi matahari di dalam rumah tanaman, serta pengukuran parameter iklim mikro di luar rumah tanaman (suhu udara, radiasi matahari, kelembaban udara, curah hujan, tekanan udara dan kecepatan angin). Pengukuran dilakukan menggunakan weather station yang merekam data cuaca secara otomatis setiap 30 menit selama tiga hari untuk kondisi cuaca berawan, berangin, cerah dan hujan. Data yang digunakan untuk simulasi adalah pada saat radiasi matahari minimum dan maksimum.
Weather station dipasang di luar dan di dalam rumah tanaman, sedangkan
wireless vantage pro2 untuk menyimpan data cuaca diletakkan di basecamp. Komputer kemudian mengunduh data tersebut dengan perangkat lunak weatherlink (Gambar 6).
2.1
Gambar 6. Weather station dan Wireless Vantage Pro2 untuk pengukuran
Pengukuran suhu (Tipe T) menggunakan sensor termokopel, dimana datanya direkam oleh hybrid recorder (Gambar 7). Titik-titik pengukuran suhu ini diletakkan pada bagian lantai yang memiliki pengaruh besar untuk proses pindah panas di dalam rumah tanaman dan titik-titik yang sensitif akibat adanya perubahan suhu udara di luar rumah tanaman. Jumlah titik-titik pengukuran sebanyak 20 titik yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Gambar 8 menunjukkan pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman.
Gambar 8. Pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman
Pengambilan data hasil pengukuran dilakukan setiap 30 menit. Pengukuran dimulai pada pukul 06.00 hingga pukul 18.00. Hybrid recorder dipasang pada rentang pengambilan data setiap 1 menit dengan lama pengukuran 12 jam, akan tetapi data yang digunakan hanya rentang waktu setiap 30 menit. Untuk weather station, sensor suhu diatur dalam satuan oC, kecepatan angin dalam satuan m/detik, arah angin dalam satuan derajat.
b. Simulasi Sebaran Suhu Menggunakan CFD
Simulasi sebaran suhu dilakukan menggunakan CFD dengan perangkat lunak
“Solidworks®”. Model simulasi yang dilakukan sangat bergantung pada memori dan kecepatan processor komputer yang digunakan. Komputer yang digunakan adalah komputer dengan spesifikasi CPU intel® CoreTM i7; 12GB RAM; dan 64-bit Operating System.
Analisis yang dilakukan adalah analisis tiga dimensi terhadap aliran fluida dan termal khusus sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman pada kondisi tunak (3-dimensional steady state analysis). Asumsi yang digunakan dalam simulasi adalah:
1) Udara bergerak dalam keadaan steady. 2) Udara tidak terkompresi.
3) Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan. 4) Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.
Simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman tipe modified standard peak pada saat radiasi matahari minimum dan radiasi matahari maksimum. Data masukan kondisi awal dan kondisi batas simulasi disajikan pada Tabel 1, sedangkan diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD dijelaskan pada Gambar 9.
Gambar 9. Diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD
Mulai Pembuatan geometri (part)
Pendefinisian material geometri
Penyusunan struktur geometri (assembly)
Set kondisi umum (ambien)
Set domain, boundary condition dan goal parameter
Pre-processor
Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter
Selesai Post-processor Ya Run Meshing Calculation Konvergen Tidak Solver
Tabel 1. Masukan kondisi awal rumah tanaman
Masukan Kasus
1 2
Kondisi Awal
Suhu lingkungan (oC) 25.7 33.9
Suhu material padat (oC) 26.3 38.5
RH lingkungan (%) 92.14 51.68
Kecepatan angin (m/detik) 0 1.29
Arah angin - Timur laut
Radiasi matahari (W/m2) 0 1,092
Waktu (WIB) 06:00 12:00
Media berpori (Kassa belakang)
Jenis Kawat kassa
Porositas kassa 0.4133
Tipe permeabilitas Isotropik
Resistance calculation formula Pressure Drop, Flowrate, Dimensions
Panjang 4.92 m
Luas 6.8388 m2
Langkah-langkah proses simulasi menggunakan perangkat lunak “Solidworks®”
adalah sebagai berikut :
1) Pembuatan geometri rumah tanaman
Dimensi rumah tanaman yang digunakan untuk pembuatan geometri ini adalah kondisi yang sebenarnya sesuai dengan gambar teknik pembangunan rumah tanaman yang mendekati kenyataan di lapangan. Setelah geometri siap digunakan, dilakukan penentuan computational domain (Gambar 10) yang akan menjadi daerah perhitungan simulasi.
2) Penetapan general setting
Ada empat tahap yang ditetapkan pada bagian ini yaitu tipe analisis, jenis fluida, jenis material padat dan kondisi batas serta kondisi awal simulasi secara umum. Gambar 11 sampai dengan Gambar 15 adalah tampilan interface general setting untuk Kasus 1.
Gambar 11. Tipe analisis dan nilai masukan radiasi matahari untuk Kasus 1 Tipe aliran yang digunakan adalah tipe aliran eksternal, karena bagian yang dianalisis berhubungan dengan lingkungan dari luar rumah tanaman. Masukan data berupa suhu lingkungan, radiasi matahari dan memperhitungkan proses pindah panas konduksi serta gravitasi (Gambar 11).
Fluida yang dianalisis adalah udara dengan tipe aliran laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara (Gambar 12). Default
material padat (solid) dalam simulasi ini adalah concrete (beton) (Gambar 13). Pengaturan kondisi batas hanya memasukkan nilai kekasaran (roughness) sebesar 0 µm (Gambar 14). Nilai suhu udara dan kelembaban pada initial and ambient condition disesuaikan dengan tipe aliran yang digunakan. Tipe aliran yang digunakan adalah eksternal, sehingga suhu udara dan kelembaban yang dimasukkan merupakan kondisi luar rumah tanaman. Nilai tekanan yang dimasukkan sebesar 101,325 kPa dan suhu material padat dimasukkan sesuai analisis kasus yang dibutuhkan (Gambar 15).
Gambar 12. Pengaturan fluida yang dianalisis dan tipe aliran pada Kasus 1
Gambar 14. Kondisi batas pada Kasus 1
Gambar 15. Kondisi awal pada Kasus 1
3) Pengaturan mesh untuk perhitungan pada level 3.
4) Daerah perhitungan dibuat untuk daerah di luar dan di dalam rumah tanaman (Tabel 2).
Tabel 2. Daerah perhitungan dalam simulasi Koordinat Jarak (m) Xmin -7.5 Xmax 1 Ymin -2.67 Ymax 4 Zmin -10 Zmax 5
5) Pendefinisian material rumah tanaman
Bagian utama yang digunakan dalam simulasi ini adalah atap, dinding, lantai dan rangka rumah tanaman. Atap didefinisikan sebagai PC (Polycarbonate), dinding sebagai media berpori (porous media), lantai sebagai beton (concrete), dan rangka sebagai baja ringan (steel, mild). Semua data teknik material tersebut belum tersedia di database Solidworks®, sehingga data-data sifat bahan tersebut dimasukkan oleh peneliti (Tabel 3).
Tabel 3. Sifat bahan yang dimasukkan ke dalam data teknik Solidworks®
Sifat bahan Satuan Polycarbonate* Concrete# Steel, mild+
Kerapatan (ρ) kg/m3 1,200 2,000 7,833
Panas jenis (cp) J/kg oC 1,300 1,000 45.3
Konduktivitas panas (k) W/m oC 0.20899 1.13 0.502 Tipe konduktivitas - Isotropik Isotropik Isotropik
Melting temperature oC 630 1,000 1,410 Keterangan : * Katalog SolarTuff
+ Cengel (2003)
#
Database (www.engineeringtoolbox.com dan www.people.bath.ac.uk) 6) Pengaturan kondisi batas
Komponen rumah tanaman yang memiliki sumber panas terbesar adalah lantai dan atap. Atap merupakan komponen pertama yang berinteraksi langsung dengan radiasi matahari, kemudian diteruskan ke lantai. Sehingga kedua komponen ini menyimpan panas lebih besar dari komponen-komponen lainnya. Kondisi batas (real wall) yang ditetapkan hanya pada permukaan lantai rumah tanaman dan dinding bawah rumah tanaman. Pengaturan real wall ditetapkan tergantung dari suhu lantai di beberapa jarak pengukuran.
7) Pengaturan tujuan (goals) dari simulasi
Goal dari simulasi adalah suhu udara global dan kecepatan udara global. Data suhu udara global ini digunakan untuk validasi dengan hasil pengukuran.
8) Proses running (perhitungan) dijalankan
Persamaan-persamaan konservasi diselesaikan dengan metode iterasi SIMPLER (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised). Proses perhitungan dimulai dengan memecahkan variabel kecepatan fluida dan tekanan. Proses perhitungan ini diperlihatkan kepada pengguna berupa grafik yang menunjukkan konvergenitas residual variation. Jika proses perhitungan menghasilkan residual yang menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya, maka dikatakan bahwa tebakan nilai terhadap variabel-variabel cukup baik dan solusi akan diperoleh. Proses iterasi akan berhenti ketika kondisi konvergen tercapai.
Solidworks® akan secara otomatis mengatur time step sama dengan satu untuk analisis termal kondisi tunak. Karena simulasi dilakukan pada aliran tetap dimana udara tidak terkompresi, maka nilai massa jenis konstan selama iterasi. 9) Tahap post-processor
Pada tahap ini tampilan yang dibutuhkan oleh peneliti dapat ditentukan secara langsung sebagai hasil simulasi CFD, seperti bentuk kontur suhu dan kecepatan udara, animasi dan sebagainya.
c. Validasi Hasil Simulasi Suhu
Validasi sebaran suhu dilakukan dengan membandingkan antara hasil simulasi CFD dan hasil pengukuran. Pengujian keabsahan dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara hasil simulasi (y) dan hasil pengukuran (x) (Persamaan 10). Dimana, a menyatakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi.
y = a + bx ... (10) Model dinyatakan dapat memberikan prediksi sebaran suhu yang semakin baik bila persamaan regresinya memiliki nilai intersep (a) semakin mendekati nol dan gradiennya (b) semakin mendekati satu. Selain itu, validasi hasil simulasi dilakukan dengan menghitung nilai ketepatan seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 11.
� � (%) = 1− −� 100% ... (11) dimana, adalah nilai aktual pengukuran
� adalah nilai hasil simulasi
d. Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman
Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan setelah hasil simulasi memiliki nilai yang valid. Analisis pindah panas konveksi dilakukan antara lantai dengan udara di atasnya dengan menggunakan persamaan-persamaan pindah panas. Dalam penelitian ini diasumsikan bahwa perpindahan panas yang terjadi hanya melalui konveksi alami dengan batas sistem adalah dinding rumah tanaman setinggi 60 cm, sehingga proses pindah panas hanya terjadi antara lantai dan udara di atas permukaan lantai, serta terjadi pada tiga dimensi dalam keadaan tunak (steady). Kemudian analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan dari hasil simulasi menggunakan CFD.