V. SIMPULAN DAN SARAN
5.2 Saran
a. Perangkat lunak Solidwork® dan metode CFD perlu dipelajari lebih mendalam dan lebih awal, terutama mahasiswa yang akan melakukan penelitian menggunakan metode ini. b. Dalam simulasi CFD penetapan definisi kondisi batas (real wall) harus lebih diperhatikan
dan sesuai dengan tujuan yang akan dicapai, karena definisi real wall yang berbeda akan mempengaruhi hasil simulasi CFD.
c. Penelitian lanjutan untuk mendapatkan persamaan empiris dari koefisien pindah panas konveksi (h) pada lantai perlu dilakukan, dengan model tersebut untuk mempermudah dalam menghitung dan mengetahui keseimbangan panas yang berlaku di rumah tanaman.
DAFTAR PUSTAKA
Campen JB. 2005. Greenhouse design applying CFD for Indonesian conditions. Wageningan: Agrotechnology & Food Innovations.
Cengel YA. 2003. Heat Transfer : A Practical Approach Second Edition. New York: McGraw-Hill Companies, Inc.
Hanan JJ. 1998. Greenhouses “Advanced Technology for Protected Horticulture”. Cambridge: CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington DC.
Impron I, Hemming S, Bot GPA. 2007. Simple greenhouse climate model as a design tool for greenhouses in tropical lowland. Netherland:
Kacira M. 2012. Greenhouse environmental control. USA: Agricultural and Biosystem Engineering Controlled Environment Agriculture Center.
Kamaruddin R. 1999. A Naturally Ventilated Crop Protection Structure for Tropical Condition [Ph.D Thesis]. Cranfield: SAFE, Cranfield University.
Katalog Solar Tuff. http://www.palram.com/htmls/product.aspx?c0=12684&bsp=13801. [28 Juni 2012].
Mastalerz JW. 1977. The Greenhouse Environment “The Effect of Environmental Factors on The Growth and Development of Flowers Crops”. New York: John Wiley & Sons, Inc.
Nelson PV. 1981. Greenhouse : Operation and Management. Virginia: Prentice Hall Company, Inc.
Nurianingsih R. 2011. Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman
Standard Peak menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) [skripsi]. Bogor: Program Sarjana, Institut Pertanian Bogor.
Romadhonah Y. 2011. Simulasi distribusi suhu dan kelembaban udara untuk pengembangan desain rumah tanaman di daerah tropika basah [tesis]. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor.
Satwiko P. 2009. Fisika Bangunan. Yogyakarta: ANDI.
Schroeder DV. 2000. An Introduction to Thermal Physics. United States: Addison Wesley Longman.
Soegijanto. 1999. Bangunan di Indonesia dengan Iklim Tropika Lembab Ditinjau dari Aspek Fisika Bangunan. Jakarta: Ditjen Pendidikan Tinggi Depdikbud.
Sridadi B. 2011. Perkembangan teknologi informasi “Simulasi komputer”.
http://www.docstoc.com/docs/20488952/ Perkembangan-Teknologi-Informasi-SIMULASI-KOMPUTER. [02 November 2011].
Suhardiyanto H. 2009. Teknologi Rumah Tanaman untuk Iklim Tropika Basah “Pemodelan dan Pengendalian Lingkungan”. Bogor: IPB Press.
Versteeg HK, Malalasekera W. 1995. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. New York: Longman Scientific and Technical.
Lampiran 4. Properties udara pada saat tekanan 1 atmosfer Suhu (oC) Densitas (kg/m3) Panas spesifik (J/kgoC) Konduktivitas panas (W/moC) Difusivitas panas (m2/det) Viskositas dinamik (kg/m det) Viskositas kinematik (m2/det) Bilangan Prandtl -150 2.866 983 0.01171 4.158 x 10-6 8.636 x 10-6 3.013 x 10-6 0.7246 -100 2.038 966 0.01582 8.036 x 10-6 1.189 x 10-6 5.837 x 10-6 0.7263 -50 1.582 999 0.01979 1.252 x 10-5 1.474 x 10-5 9.319 x 10-6 0.7440 -40 1.514 1002 0.02057 1.356 x 10-5 1.527 x 10-5 1.008 x 10-5 0.7436 -30 1.451 1004 0.02134 1.465 x 10-5 1.579 x 10-5 1.087 x 10-5 0.7425 -20 1.394 1005 0.02211 1.578 x 10-5 1.630 x 10-5 1.169 x 10-5 0.7408 -10 1.341 1006 0.02288 1.696 x 10-5 1.680 x 10-5 1.252 x 10-5 0.7387 0 1.292 1006 0.02364 1.818 x 10-5 1.729 x 10-5 1.338 x 10-5 0.7362 5 1.269 1006 0.02401 1.880 x 10-5 1.754 x 10-5 1.382 x 10-5 0.7350 10 1.246 1006 0.02439 1.944 x 10-5 1.778 x 10-5 1.426 x 10-5 0.7336 15 1.225 1007 0.02476 2.009 x 10-5 1.802 x 10-5 1.470 x 10-5 0.7323 20 1.204 1007 0.02514 2.074 x 10-5 1.825 x 10-5 1.516 x 10-5 0.7309 25 1.184 1007 0.02551 2.141 x 10-5 1.849 x 10-5 1.562 x 10-5 0.7296 30 1.164 1007 0.02588 2.208 x 10-5 1.872 x 10-5 1.608 x 10-5 0.7282 35 1.145 1007 0.02625 2.277 x 10-5 1.895 x 10-5 1.655 x 10-5 0.7268 40 1.127 1007 0.02662 2.346 x 10-5 1.918 x 10-5 1.702 x 10-5 0.7255 45 1.109 1007 0.02699 2.416 x 10-5 1.941 x 10-5 1.750 x 10-5 0.7241 50 1.092 1007 0.02735 2.487 x 10-5 1.963 x 10-5 1.798 x 10-5 0.7228 60 1.059 1007 0.02808 2.632 x 10-5 2.008 x 10-5 1.896 x 10-5 0.7202 70 1.028 1007 0.02881 2.780 x 10-5 2.052 x 10-5 1.995 x 10-5 0.7177 80 0.9994 1008 0.02953 2.931 x 10-5 2.096 x 10-5 2.097 x 10-5 0.7154 90 0.9718 1008 0.03024 3.086 x 10-5 2.139 x 10-5 2.201 x 10-5 0.7132 100 0.9458 1009 0.03095 3.243 x 10-5 2.181 x 10-5 2.306 x 10-5 0.7111 120 0.8977 1011 0.03235 3.565 x 10-5 2.264 x 10-5 2.522 x 10-5 0.7073 140 0.8542 1013 0.03374 3.898 x 10-5 2.345 x 10-5 2.745 x 10-5 0.7041 160 0.8148 1016 0.03511 4.241 x 10-5 2.420 x 10-5 2.975 x 10-5 0.7014 180 0.7788 1019 0.03646 4.593 x 10-5 2.504 x 10-5 3.212 x 10-5 0.6992 200 0.7459 1023 0.03779 4.954 x 10-5 2.577 x 10-5 3.455 x 10-5 0.6974 250 0.6746 1033 0.04104 5.890 x 10-5 2.760 x 10-5 4.091 x 10-5 0.6946 300 0.6158 1044 0.04418 6.871 x 10-5 2.934 x 10-5 4.765 x 10-5 0.6935 350 0.5664 1056 0.04721 7.892 x 10-5 3.101 x 10-5 5.475 x 10-5 0.6937 400 0.5243 1069 0.05015 8.951 x 10-5 3.261 x 10-5 6.219 x 10-5 0.6948 450 0.4880 1081 0.05298 1.004 x 10-4 3.415 x 10-5 6.997 x 10-5 0.6965 500 0.4565 1093 0.05572 1.117 x 10-4 3.563 x 10-5 7.806 x 10-5 0.6986 600 0.4042 1115 0.06093 1.352 x 10-4 3.846 x 10-5 9.515 x 10-5 0.7037 700 0.3627 1135 0.06581 1.598 x 10-4 4.111 x 10-5 1.133 x 10-4 0.7092 800 0.3289 1153 0.07037 1.855 x 10-4 4.362 x 10-5 1.326 x 10-4 0.7149 900 0.3008 1169 0.07465 2.122 x 10-4 4.600 x 10-5 1.529 x 10-4 0.7206 1000 0.2772 1184 0.07868 2.398 x 10-4 4.826 x 10-5 1.741 x 10-4 0.7260 1500 0.1990 1234 0.09599 3.908 x 10-4 5.817 x 10-5 2.922 x 10-4 0.7478
Lampiran 5. Data kondisi lingkungan di dalam rumah tanaman pada tanggal 30 Maret 2012 No Pukul T (oC) RH (%) V (m/detik) Radiasi matahari (W/m2) 1 6:00 24.8 91 0 0 2 6:30 24.7 92 0 21 3 7:00 24.8 92 0 50 4 7:30 25.4 90 0 92 5 8:00 26.4 87 0 244 6 8:30 28.1 81 0 215 7 9:00 28.9 75 0 426 8 9:30 29.0 72 0 422 9 10:00 29.9 66 0 269 10 10:30 31.0 65 0 502 11 11:00 31.2 62 0 376 12 11:30 31.1 66 0 468 13 12:00 31.8 64 0 886 14 12:30 31.5 67 0 539 15 13:00 30.4 71 0 245 16 13:30 31.9 66 0 243 17 14:00 31.9 61 0 338 18 14:30 30.8 68 0 97 19 15:00 29.8 71 0 62 20 15:30 25.8 86 0 72 21 16:00 25.7 86 0 39 22 16:30 26.2 85 0 27 23 17:00 26.5 84 0 21 24 17:30 27.3 80 0 17 25 18:00 27.5 78 0 1
Lampiran 6. Data kondisi lingkungan di luar rumah tanaman pada tanggal 30 Maret 2012 No. Pukul T (oC) RH V (m/detik) Radiasi (W/m 2 ) 1 6:00 25.7 92.14 0.00 0 2 6:30 25.6 84.74 0.45 34 3 7:00 26.2 78.44 0.00 82 4 7:30 27.6 79.05 0.45 151 5 8:00 28.6 63.75 0.73 400 6 8:30 29.5 60.77 0.45 352 7 9:00 30.5 82.70 0.27 698 8 9:30 31.5 51.68 1.33 692 9 10:00 36.8 45.94 1.50 441 10 10:30 35.8 48.77 1.29 823 11 11:00 35.4 50.18 1.33 616 12 11:30 34.5 52.89 1.07 767 13 12:00 33.9 51.68 1.29 1092 14 12:30 32.7 56.24 3.34 884 15 13:00 31.4 63.75 3.90 402 16 13:30 32.2 57.97 1.67 398 17 14:00 34.1 53.04 1.85 554 18 14:30 32.9 59.16 2.26 159 19 15:00 32.8 68.7 0.45 102 20 15:30 30.3 73.58 2.36 118 21 16:00 30.4 79.44 1.03 64 22 16:30 30.1 73.58 0.22 44 23 17:00 32.0 79.44 0.00 34 24 17:30 29.9 82.38 0.27 28 25 18:00 29.6 85.49 0.41 2
Lampiran 7. Data hasil pengukuran suhu 0 m di atas permukaan lantai rumah tanaman pada tanggal 30 Maret 2012 Waktu setempat, WIB Titik pengukuran (oC) 1 3 7 9 13 15 17 21` 22 6:00 26.33 28.05 27.70 27.92 28.59 27.60 27.00 26.48 26.71 6:30 27.61 28.21 27.90 28.09 29.05 27.60 27.10 26.93 26.90 7:00 28.09 28.53 27.90 27.84 29.39 26.75 27.50 27.27 26.80 7:30 29.21 29.50 29.20 28.73 30.20 28.45 28.00 28.62 27.18 8:00 30.50 30.54 30.70 29.30 30.54 28.82 28.70 30.21 28.41 8:30 30.42 30.54 31.10 28.90 32.04 29.31 31.30 32.58 28.88 9:00 32.10 31.42 32.80 30.03 32.61 30.77 32.70 36.09 28.88 9:30 35.39 35.67 36.70 31.97 35.48 32.23 35.60 37.33 30.01 10:00 34.19 35.43 37.10 33.83 36.75 31.62 35.60 41.07 31.62 10:30 37.24 40.24 42.70 36.66 39.05 32.47 36.70 40.84 34.92 11:00 37.48 38.88 40.70 39.09 41.35 34.91 35.90 40.05 36.15 11:30 37.80 38.40 41.80 37.71 40.66 34.30 36.00 39.48 34.83 12:00 38.52 39.92 42.10 39.58 43.41 34.67 37.30 40.84 37.38 12:30 39.81 40.16 45.50 40.47 44.22 33.93 36.90 39.82 37.76 13:00 37.48 38.56 42.40 39.41 43.19 34.54 36.20 39.26 36.15 13:30 36.52 36.47 40.60 38.12 41.81 33.69 35.30 38.92 36.34 14:00 37.16 37.84 41.50 41.11 47.67 32.23 41.40 39.94 38.42 14:30 36.28 36.23 38.80 37.88 45.02 31.74 37.60 39.03 37.19 15:00 34.99 35.19 37.40 36.42 42.15 32.23 36.20 38.47 36.34 15:30 34.35 33.83 36.70 35.21 38.93 32.84 32.70 36.77 35.11 16:00 33.71 33.59 35.10 33.83 36.86 32.47 33.20 34.17 34.26 16:30 33.31 32.86 34.90 34.32 35.71 32.47 32.90 34.17 33.89 17:00 33.07 32.86 34.40 33.51 35.60 32.35 32.40 33.60 33.32 17:30 32.67 32.38 32.90 32.78 35.14 31.38 31.50 34.73 33.22 18:00 32.18 32.06 32.70 32.13 34.68 31.74 31.40 34.17 33.04
Lampiran 8. Data hasil pengukuran suhu 0.45 m di atas permukaan lantai rumah tanaman pada tanggal 30 Maret 2012 Waktu setempat. WIB Titik pengukuran (oC) 2 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 6:00 24.89 24.20 24.20 23.50 24.68 25.21 24.10 24.96 26.56 23.80 25.46 6:30 25.20 24.80 24.80 24.00 25.10 25.70 24.60 25.29 26.78 24.30 25.99 7:00 26.02 25.20 25.40 24.70 25.84 26.19 24.70 25.85 26.45 25.30 26.52 7:30 28.27 26.70 26.70 26.20 27.52 27.47 26.20 26.97 28.57 26.30 26.31 8:00 29.19 27.70 27.70 27.40 28.89 28.64 27.00 27.70 29.57 28.00 27.05 8:30 28.58 28.30 28.20 28.10 29.10 28.35 27.10 28.26 28.46 29.40 28.96 9:00 30.93 29.70 29.40 30.00 30.68 29.23 27.40 29.06 29.35 30.20 29.59 9:30 31.55 31.40 31.60 31.80 32.26 30.90 29.30 30.02 30.58 31.00 30.86 10:00 32.57 34.30 33.20 34.60 36.15 33.85 30.70 31.39 31.69 32.10 32.13 10:30 35.44 36.10 35.90 36.30 36.89 36.89 32.30 35.00 33.26 33.90 33.62 11:00 34.82 34.70 33.50 33.50 35.00 36.00 33.60 33.80 35.93 33.30 32.98 11:30 34.00 34.30 33.60 34.20 36.15 35.71 33.20 32.03 34.59 32.90 32.77 12:00 35.84 37.30 36.00 36.80 39.21 37.08 33.10 34.04 35.71 34.30 34.36 12:30 33.90 35.20 34.80 34.40 37.94 36.59 33.80 32.60 34.26 33.30 33.83 13:00 32.67 32.90 33.00 32.80 35.00 34.43 33.50 31.07 34.59 32.10 33.09 13:30 32.26 32.40 32.50 32.30 34.26 34.04 32.20 30.67 33.37 31.60 32.77 14:00 35.03 34.60 34.40 34.80 36.26 37.38 34.40 34.92 33.59 36.30 35.74 14:30 31.85 31.90 32.30 31.70 33.31 32.86 32.10 31.55 32.36 32.50 34.36 15:00 31.55 31.10 31.30 30.80 32.68 32.57 31.50 30.75 32.36 31.30 32.98 15:30 29.60 28.00 27.90 26.70 29.63 29.72 28.70 28.18 31.47 26.90 29.70 16:00 29.09 27.20 27.20 25.80 29.10 29.23 28.00 27.62 31.25 27.30 30.23 16:30 29.19 27.30 27.30 26.20 29.63 29.63 27.90 27.70 31.69 27.70 29.59 17:00 29.50 27.50 27.50 26.20 29.31 29.43 28.30 28.10 31.69 27.50 29.17 17:30 29.19 28.00 28.30 27.40 28.79 29.14 27.50 28.02 30.91 27.30 28.96 18:00 28.68 27.90 28.00 27.20 28.47 28.64 27.70 27.70 30.80 27.10 29.59
Lampiran 9. Contoh perhitungan pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman
Pindah panas di titik 1 dan 2 pada pukul 12:00.
Diketahui, Suhu permukaan lantai (Ts) = 39.89 oC
Suhu udara 45 cm di atas permukaan lantai (T~)= 36.40 oC Viskositas kinematik udara (v) = 1.668 x 10-5 m2/det Bilangan Prandtl (Pr) = 0.7264
Gaya gravitasi (g) = 9.81 m/det2
Panjang karakteristik dari geometri (Lc) = 3 m Konduktivitas termal udara (k) = 0.026354 W/m oC Panjang lantai (p) = 12 m
Lebar lantai (l) = 6 m Menentukan nilai Rayleigh:
β = 1/Tf , dimana Tf= ½(Ts + T~) β = 1/ [(0.5 x (39.89 + 36.40)) +273] β = 0.00321 1/K Ral = GrL Pr = ��( −~) 3 � Ral= 9.81×0.00321 ×(39.89−36.40)3 3 1.668 ×10−5 × 0.7264 Ral = 129,349.5
Menentukan bilangan Nusselt:
Karena 104 < 129,349.5< 107, maka:
Nu = 0.54 Ral¼ Nu = 0.54 (129,349.5) ¼
Nu = 10.24
Menghitung nilai koefisien pindah panas konveksi (h):
h= � Nu
h = [(0.026354/3) x 10.24]
h = 0.0900 W/m2oC
Menghitung laju pindah panas konveksi (qkonv):
qkonv = h A (Ts– T~)
qkonv = 0.0900 x 72 x (39.89 – 36.40)
SIMULATION OF THE AIR AND SURFACE TEMPERATURE
DISTRIBUTION ON THE FLOOR OF GREENHOUSE BY USING
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Nurul Fuadah and Herry Suhardiyanto
Department of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Dramaga Bogor, PO Box 220, Bogor, West Java,
Indonesia
Phone 62 852 68523275, e-mail: [email protected]
ABSTRACT
Temperature is one of important factors in plant growing. Distribution of temperature that occurs in the greenhouse should be used as the basic consideration for designing a greenhouse. Floor is one of important governing factors that affect temperature distribution. The air and surface temperature distribution on the floor greenhouse can be simulated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The simulation was applied to a naturally ventilated standard peak greenhouse. Measured floor surface temperature were 26.3–47.7 oC and air temperature at 45 cm above the floor surface were 23.5–39.2 oC. Simulated floor surface temperature were 26.41–39.89
o
C and air temperature at 45 cm above the floor surface were 25.43–36.40 oC. Validation of the model had been done by calculating accuration and linear regression analysis. The simulation showed the accuracy 91.18-99.66% at the minimum solar radiation (0 W/m2) and 90.79-99.92% at maximum solar radiation (1,092 W/m2), and resulting a high value of coefficient of determination (0.946-0.947). Results show that the model performed well in simulating the air and surface temperature distribution on the floor of greenhouse, as compared to that of the measured value. It also show that CFD could be used to predict convective heat transfer and airflow pattern on the floor of greenhouse, accurately.
NURUL FUADAH. F14080049. Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai
Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah
bimbingan Herry Suhardiyanto. 2012
RINGKASAN
Teknologi rumah tanaman adalah salah satu wujud hasil pengembangan teknologi budidaya pertanian dengan memberikan kondisi lingkungan yang mendekati optimum bagi pertumbuhan tanaman. Bangunan rumah tanaman mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas secara konduksi, konveksi maupun radiasi. Perpindahan panas ini terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Lantai adalah salah satu komponen utama keseimbangan panas rumah tanaman. Pada rumah tanaman, luas permukaan yang melakukan dasar pertukaran panas adalah dinding dan atap. Perbandingan luas permukaan ini dengan luasan lantai dapat mempengaruhi perubahan suhu di dalam rumah tanaman. Pada luasan lantai yang tetap, pertambahan tinggi luas permukaan tersebut akan meningkatkan proses pertukaran panas dan rendahnya luas permukaan tersebut akan menurunkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman.
Mengingat sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat mempengaruhi pola pindah panas secara konveksi dan merupakan suatu hal yang sangat penting di dalam rumah tanaman, maka perlu dilakukan penelitian tentang suatu simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD). Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: Melakukan simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD); Mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman sebagai komponen rumah tanaman yang menerima radiasi matahari; Mempelajari aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman akibat pindah panas konveksi antara permukaan lantai dan udara di dalam rumah tanaman.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat dilakukan dengan menggunakan CFD. Suhu permukaan lantai hasil pengukuran berkisar 26.3–47.7 oC dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar 23.5–39.2 oC, sedangkan suhu permukaan lantai hasil simulasi yag dihasilkan berkisar 26.41–39.89 oC dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar 25.43–36.40 oC. Kemudian dilakukan validasi hasil simulasi sebaran suhu, dimana diperoleh nilai yang akurat yaitu berkisar 91.18-99.66% untuk radiasi matahari minimum (0 W/m2) dan 90.79-99.92% untuk radiasi matahari maksimum (1,092 W/m2).
Hasil validasi menunjukkan hasil yang baik untuk sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, dan dapat memprediksi pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Nilai pindah panas pada saat radiasi minimum yang dihasilkan berkisar 0.30-18.49 W dan pada saat radiasi maksimum berkisar 2.36-24.12 W. Selain itu, dapat dipelajari pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dan fungsi ventilasi untuk proses pertukaran udara dapat dibuktikan terjadi di dalam rumah tanaman.
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Teknologi greenhouse adalah salah satu teknologi pada budidaya pertanian dengan memberikan kondisi lingkungan yang mendekati optimum bagi pertumbuhan tanaman. Teknologi ini merupakan adopsi dari daerah subtropika dan diaplikasikan di Indonesia yang beriklim tropika basah dengan fungsi tidak untuk melindungi tanaman dari suhu udara yang rendah, tetapi lebih sebagai bangunan perlindungan tanaman. Oleh karena itu, istilah rumah tanaman sangat sesuai sebagai terjemahan dari greenhouse (Suhardiyanto 2009). Konstruksi greenhouse di daerah subtropika dan rumah tanaman di daerah tropika basah tentunya berbeda. Perbedaan ini disebabkan oleh konstruksi rumah tanaman dengan rancangan struktur bangunan yang sama, namun dibangun pada iklim yang berbeda akan memiliki kondisi iklim mikro yang berbeda pula. Perbedaan laju dan arah pertukaran panas yang terjadi antara bangunan rumah tanaman dan lingkungan sekitarnya merupakan salah satu penyebab berbedanya iklim mikro di dalam rumah tanaman. Bangunan rumah tanaman akan mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas baik itu secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini dapat terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman.
Lantai adalah salah satu komponen utama dalam rumah tanaman. Lantai berfungsi sebagai tempat sebagian besar kegiatan budidaya tanaman. Selain itu, lantai juga mempunyai fungsi yang berhubungan erat dengan perpindahan panas. Pada rumah tanaman, luas permukaan yang melakukan dasar pertukaran panas adalah dinding dan atap. Perbandingan luas permukaan ini dengan luasan lantai dapat mempengaruhi perubahan suhu di dalam rumah tanaman. Pada luasan lantai yang tetap, pertambahan tinggi luas permukaan tersebut akan meningkatkan proses pertukaran panas dan rendahnya luas permukaan tersebut akan menurunkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman.
Pindah panas merupakan proses perpindahan panas dari material atau benda karena adanya perbedaan suhu. Proses pindah panas dapat terjadi secara radiasi (sinaran), konveksi dan konduksi (hantaran). Proses pindah panas di permukaan lantai rumah tanaman dengan udara di dalam rumah tanaman terjadi secara konveksi. Pada dasarnya aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari-hari, misalnya pengkondisian bangunan dan mobil, interaksi berbagai objek dengan udara/air, termasuk juga proses pindah panas ini, yang sangat menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk itu, dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi secara cepat dan akurat. Maka, berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD).
CFD dapat memprediksi aliran, perpindahan panas, reaksi kimia dan peristiwa lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika yang membentuk model matematika. Mengingat sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat mempengaruhi pola pindah panas secara konveksi dan merupakan suatu hal yang sangat penting di dalam rumah tanaman, maka perlu dilakukan penelitian mengenai suatu simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD).
1.2 Tujuan
Penelitian ini bertujuan untuk:
a. Melakukan simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD).
b. Mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman sebagai komponen rumah tanaman yang menerima radiasi matahari.
c. Mempelajari aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman akibat pindah panas konveksi antara permukaan lantai dan udara di dalam rumah tanaman.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Iklim Mikro Rumah Tanaman Daerah Tropika Basah
Iklim merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi perancangan bangunan. Sebuah bangunan seharusnya dapat mengurangi pengaruh iklim yang merugikan dan memanfaatkan pengaruhnya yang menguntungkan bagi pengguna bangunan. Faktor iklim tersebut meliputi radiasi dan cahaya matahari, suhu dan kelembaban udara, arah dan kecepatan angin serta kondisi langit. Bagaimana pengaruh faktor-faktor tersebut terhadap bangunan perlu diteliti untuk mendapatkan kondisi lingkungan di dalam bangunan, khususnya kondisi termal dan visual yang diinginkan pengguna bangunan. Kondisi termal yang akan terjadi di dalam bangunan akan ditentukan oleh kinerja termal dari bangunan dan kondisi iklim dimana bangunan berada. Seperti di Indonesia dengan ciri iklim yang tropis lembab memiliki suhu udara yang relatif panas, intensitas radiasi matahari dan kelembaban udara yang tinggi (Soegijanto 1999).
Nelson (1981) mendefinisikan greenhouse sebagai suatu bangunan yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya yang memungkinkan bagi cahaya yang dibutuhkan tanaman bisa masuk dan tanaman terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan, seperti hujan deras, tiupan angin kencang dan keadaan suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi yang dapat menghambat pertumbuhan tanaman.
Menurut Suhardiyanto (2009), pada daerah tropika (basah), fenomena greenhouse ini dapat dimanfaatkan dan istilah greenhouse yang mulanya dibangun di wilayah subtropika sebagian besar dari bahan kaca, kurang tepat untuk wilayah tropika basah. Agar lebih mencerminkan fungsi
greenhouse sebagai bangunan perlindungan tanaman, maka dikenal istilah rumah tanaman.
Rumah tanaman umumnya mempunyai struktur yang hampir sama dengan bangunan. Menurut Suhardiyanto (2009), komponen rumah tanaman terdiri dari pondasi, balok, kolom, dinding, atap dan lantai. Semua komponen ini mempunyai fungsi masing-masing. Pondasi berfungsi sebagai pendukung beban bangunan dan menyalurkan beban tersebut ke dalam tanah. Kolom berfungsi sebagai tiang pembentuk struktur dan penopang beban atap. Balok berfungsi sebagai pengikat antar kolom dan memperkokoh bangunan. Atap berfungsi untuk melindungi tanaman dari pengaruh iklim dan bagian atap terdiri dari kuda-kuda, rangka atap dan penutup atap. Dinding berfungsi untuk melindungi tanaman dari angin, hama, hujan dan debu. Lantai berfungsi untuk memperkuat permukaan lantai.
Suhu merupakan salah satu faktor yang sangat penting dalam pengendalian iklim mikro. Suhu adalah derajat dari panas sensibel atau intensitas, sedangkan panas adalah bentuk dari energi. Suhu bisa dijadikan gagasan dalam pengendalian transfer energi dan menjadi pengukuran umum di dalam rumah tanaman. Selang suhu untuk produksi tanaman dalam rumah tanaman relatif terbatas dari 10–30 oC untuk hampir semua jenis kecuali untuk masalah tertentu. Model Takakura untuk struktur unheated menunjukkan besarnya jeda waktu perubahan suhu di luar dan jeda waktu perubahan suhu di dalam rumah tanaman memperlihatkan peningkatan perbandingan luasan lantai terhadap luasan atap, dan penurunan perbandingan volume udara terhadap lantai (Hanan 1998).
Menurut Schroeder (2000), suhu adalah ukuran dari kecenderungan suatu objek yang secara spontan memberikan energi untuk sekitarnya. Ketika dua objek melakukan kontak secara termal,
dalam rumah tanaman meningkat karena dua sebab, yaitu: karena “greenhouse effect” dan struktur rumah tanaman yang cenderung lebih tertutup. Sebagian besar kenaikan suhu di dalam rumah tanaman dihasilkan dari fakta mengenai struktur rumah tanaman yang tertutup dan pindah panas dari pergerakan udara turbulen yang berkurang. Selain itu, kecepatan angin juga selalu mempengaruhi peningkatan suhu (Mastalerz 1977).
Bangunan rumah tanaman mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Prinsip-prinsip perpindahan panas dapat menjadi dasar dalam perancangan panas tersebut dan prediksi kondisi lingkungan termal di dalam rumah tanaman dapat dilakukan, yaitu menggunakan model matematika yang menerangkan keseimbangan panas pada rumah tanaman. Hubungan antara kondisi lingkungan termal dengan salah satu elemen rancangan rumah tanaman yang penting dan mendasar adalah faktor lantai. Lantai dijadikan pembanding dalam hal penentuan luas ventilasi rumah tanaman (Suhardiyanto 2009).
Suhardiyanto (2009) juga menyatakan bahwa bangunan rumah tanaman berinteraksi dengan kondisi lingkungan termal di sekitar rumah tanaman menghasilkan lingkungan yang unik di dalam rumah tanaman. Komponen-komponen yang penting dari interaksi tersebut dapat digambarkan secara sederhana dalam sebuah model sehingga hubungan sebab akibat komponen penyusun tersebut dapat dijelaskan dengan baik. Perancangan rumah tanaman dapat dilakukan dengan mudah jika model pindah panas pada rumah tanaman telah dibangun. Model pindah panas tersebut menerangkan hubungan antara elemen rancangan dengan lingkungan termal pertumbuhan tanaman di dalam rumah tanaman. Model ini juga dapat menjadi dasar simulasi menggunakan komputer untuk memprediksi lingkungan termal di dalam rumah tanaman.
2.2 Pindah Panas
Menurut Schroeder (2000), energi adalah konsep dinamis yang paling mendasar dalam semua ilmu fisika, dan panas didefinisikan sebagai aliran energi yang spontan dari suatu objek ke objek lainnya, yang disebabkan oleh perbedaan suhu diantara objek tersebut. Mastalerz (1977) menyatakan bahwa energi panas atau termal didefinisikan sebagai energi yang ditransferkan diantara dua sistem yang mempunyai suhu yang berbeda. Panas dapat ditransmisikan melalui konduksi, konveksi dan radiasi.
Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas atau cairan, atau diantara objek yang sama yang bersentuhan langsung; panas dikonduksikan dari molekul yang mempunyai energi panas tinggi ke molekul yang mempunyai energi panas rendah (Mastalerz 1977). Besarnya laju aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan Hukum Fourier seperti pada Persamaan 1.
qkond = - k A ( ) = k A 1−2 ... (1) dimana, qkondadalah laju pindah panas secara konduksi (W/m2), A adalah luas penampang suatu bidang (m2) dan ΔT adalah perubahan suhu diantara dua permukaan (oC).
Konveksi adalah perpindahan massa dari gas atau cairan yang panas ke suatu area yang lebih dingin; seperti pergerakan udara panas diseluruh bagian rumah tanaman terjadi karena konveksi (Mastalerz 1977).
Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan berdasarkan Hukum Newton yang tertera pada Persamaan 2.
dimana, qkonv adalah laju pindah panas secara konveksi (W/m2), h adalah koefisien pindah panas konveksi (W/m2oC), Ts adalah suhu permukaan bidang (oC) dan T~ adalah suhu pada jarak tertentu dari permukaan bidang (oC).
Radiasi adalah perpindahan panas yang melewati suatu tempat dalam bentuk energi radiasi panas (Mastalerz 1977). Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi dihitung berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann yang dinyatakan pada Persamaan 3.
qr= σεATs4 ... (3) dimana, qradalah laju pindah panas secara radiasi (W/m2), σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10-8 (W/m2K4).
Menurut Soegijanto (1999), bangunan akan mendapat perolehan panas dan mengeluarkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Besarnya perpindahan panas yang terjadi pada bangunan dipengaruhi oleh sifat-sifat termofisika dari bahan bangunan. Sifat-sifat tersebut adalah konduktivitas panas dari bahan bangunan (k), konduktansi dari bahan bangunan dari rongga udara (Ck), konduktansi permukaan (h), kapasitas panas spesifik dari bahan bangunan (cp), emitansi (ε) dan absorptansi (α) untuk radiasi gelombang panjang. Selain sifat termofisik, sifat fisika yang berpengaruh terhadap besarnya perpindahan panas adalah kepadatan massa atau densitas (kg/m3) dan tebal bahan (m).
Diantara semua sifat tersebut, ada beberapa sifat yang digunakan sebagai masukan dasar untuk definisi material dalam simulasi CFD, yaitu konduktivitas panas (k), kapasitas panas spesifik dari bahan bangunan (cp) dan kepadatan massa atau densitas (kg/m3). Menurut Satwiko (2009), konduktivitas panas adalah bilangan yang menunjukkan besar panas (Watt) yang mengalir melalui bahan setebal satu meter (1 m), seluas satu meter persegi (1 m2) dengan perbedaan suhu antara kedua sisi permukaan satu derajat celcius (1 oC). Pengguna seringkali memerlukan bahan dengan tebal nyata, maka dibuatlah istilah konduktan yang merupakan konduktivitas dengan tebal tertentu (bukan 1 m). Hal ini karena pada kehidupan nyata, tebal 1 m tidak selalu digunakan. Dimana, konduktan = k/b (b adalah tebal bahan normal), dengan satuan W/m2 oC.
Kapasitas panas spesifik bahan adalah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari satu satuan massa dari bahan sebesar 1 oC. Kapasitas panas dari bahan selubung bangunan sangat berpengaruh pada kondisi termal di dalam bangunan untuk bangunan yang menggunakan pengendalian pasif. Tetapi, bangunan yang menggunakan pengendalian aktif, kapasitas panas kurang berpengaruh (Soegijanto 1999). Kepadatan massa atau densitas adalah perbandingan beratnya massa bahan per satuan volume total bahan tersebut.
2.3 Konveksi Bebas
Perpindahan panas konveksi bebas terjadi bilamana sebuah benda ditempatkan dalam suatu fluida yang suhunya lebih tinggi atau lebih rendah daripada benda tersebut. Akibat dari perbedaan suhu tersebut, panas mengalir antara fluida dan benda tersebut serta mengakibatkan perubahan kerapatan lapisan-lapisan fluida di dekat permukaan. Perbedaan kerapatan menyebabkan fluida yang lebih berat mengalir ke bawah dan fluida yang lebih ringan mengalir ke atas. Jika gerakan fluida tersebut disebabkan hanya oleh perbedaan kerapatan yang diakibatkan oleh gradien suhu, tanpa dibantu pompa atau kipas, maka mekanisme perpindahan panas yang bersangkutan disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (Kreith 1986).
konveksi (h) antara lantai dan udara di dalam rumah tanaman. Lantai rumah tanaman dapat menyerap dan melepaskan panas dari atau ke lingkungan sekitar (udara di dalam rumah tanaman) secara konveksi. Proses pindah panas secara konveksi yang terjadi pada permukaan horizonal dapat dilihat pada Gambar 1.
Ts T~ Permukaan Panas
Gambar 1.Pindah panas konveksi pada permukaan horizontal
Koefisien pindah panas konveksi diperoleh dengan beberapa tahap perhitungan. Pertama, menentukan nilai Rayleigh (Ral) yang dinyatakan pada Persamaan 4.
Ral = GrL Pr = ��( −~) 3
� ... (4) dimana, Ral adalah bilangan Rayleigh, GrL adalah bilangan Grashof, g adalah gaya gravitasi (m/det2), β adalah koefisien ekspansi dari volume gas ideal (l/K), v adalah viskositas kinematik