IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Iklim pada Rumah Tanaman
Kondisi iklim pada rumah tanaman direpresentasikan dengan data hasil pengukuran pada saat fase vegetatif (pertumbuhan tanaman) dan fase generatif (tanaman tomat mulai berbuah). Pengukuran dilakukan selama 7 x 24 jam (7 hari) di lingkungan rumah tanaman yang berupa radiasi matahari, kecepatan udara, kelembaban udara dan suhu udara lingkungan. Namun untuk melakukan simulasi penulis hanya mengambil data 1 x 24 jam pada masing-masing fase dari 7 hari pengukuran yang telah dilakukan. Data yang diambil untuk diolah dalam simulasi merupakan data yang sekiranya menunjukkan kondisi cuaca normal atau cerah, mengingat iklim cuaca di daerah Bogor sangat fluktuasi. Pertimbangan pengambilan data pada cuaca cerah didasarkan pada pola dinamika radiasi matahari yang terukur.
Selain itu, simulasi yang dilakukan merupakan simulasi pada kondisi tetap (steady state), sehingga proses iterasi dalam simulasi hanya dilakukan pada satu waktu tertentu. Oleh karena itu, dari 24 jam per 30 menit pengukuran dipilih satu kondisi yang paling ekstrim dimana parameter kritisnya adalah suhu yang dominan dipengaruhi oleh radiasi matahari. Hal tersebut memiliki alasan bahwa pada kondisi ekstrim sangat memungkinkan kondisi iklim di dalam rumah tanaman memerlukan pengendalian, sehingga perlu adanya kuantifikasi parameter yang berpotensi untuk direkayasa. Hasil simulasi CFD dapat memudahkan untuk melakukan analisa kuantitatif parameter yang terdistribusi pada rumah tanaman.
Dinamika parameter tersebut ditunjukkan per 30 menit oleh grafik yang disajikan pada Gambar 13.
Perubahan radiasi matahari pada fase vegetatif (Gambar 13.a) dominan mempengaruhi sebaran suhu dilingkungan rumah tanaman. Nilai radiasi matahari tertinggi terjadi pada siang hari pukul 13.30 WIB yaitu sebesar 1056 (W m-2), dan redup tepat pada pukul 16:30 WIB yang berarti bernilai nol (0). Pada waktu puncak yang sama, suhu rata-rata di dalam rumah tanaman terjadi maksimal sebesar 34.2 °C sedangkan suhu rata-rata di luar rumah tanaman maksimal sebesar 33 °C. Perbedaan suhu antara di dalam rumah tanaman dengan di luar rumah tanaman rata-rata sebesar 0.8 °C.
Gambar 13. Pola sebaran radiasi matahari yang mempengaruhi suhu lingkungan rumah tanaman; (a) 16 Juli, (b) 23 Agustus.
Fase generatif (Gambar 13.b), juga menunjukkan fluktuasi perubahan suhu di luar rumah tanaman dengan di dalam rumah tanaman dominan dipengaruhi
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
0 200 400 600 800 1000 1200
6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00
Suhu rata-rata luar GH (°C)
Radiasi surya (W m-2)
waktu pengukuran
Radiasi surya Suhu rata-rata dalam GH Suhu rata-rata luar GH
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
6:00 10:00 14:00 18:00 22:00 2:00 6:00
Suhu (°C)
Radiasi surya (W m-2)
Waktu Pengukuran
Radiasi Surya Suhu rata-rata luar GH Suhu rata-rata dalam GH
a
b
oleh radiasi matahari. Puncak radiasi sinar matahari hasil pengukuran pada fase generatif terjadi pada pukul 12:30 WIB yaitu sebesar 914 W m-2. Radiasi matahari redup pada pukul 16:30 WIB dimana pengukuran radiasi sudah menunjukkan nilai 0 (nol) sampai pukul 06:00 pagi di hari berikutnya. Hal serupa juga ditunjukkan oleh dinamika suhu di dalam rumah tanaman dan di luar rumah tanaman. Kondisi suhu tertinggi terjadi pada waktu yang sama dimana radiasi yang terpancar pada rumah tanaman adalah nilai radiasi paling tinggi sepanjang hari tersebut. Kisaran suhu yang tersebar di dalam rumah tanaman mulai dari 26.1°C sampai 32.4°C, sedangkan suhu di luar rumah tanaman berkisar antara 22.3°C sampai 33.0°C.
Pola dinamika perubahan suhu baik di dalam maupun di luar rumah tanaman sebanding dengan pola dinamika radiasi matahari, sehingga dapat dikatakan bahwa korelasi perubahan suhu berbanding lurus dengan perubahan radiasi matahari.
Pengaruh peningkatan suhu terhadap tanaman tentu dapat mengakibatkan laju respirasi pada tanaman semakin meningkat. Hal ini dipicu karena stomata pada daun secara fisiologi akan terbuka ketika suhu di daerah tanaman tinggi.
Tingginya suhu di daerah tanaman juga disertai tingginya radiasi matahari.
Sementara gelombang radiasi matahari merupakan layaknya sebuah bahan bakar bagi daun untuk melakukan fotosintesis yang disebut dengan reaksi terang. Reaksi terang merupakan proses fotosintesis yang memerlukan cahaya dimana terdiri dari dua fotosistem yang saling bekerja sama, yaitu fotosistem I dan fotosistem II (Raven et al., 2005). Fotosistem I (PS I) berisi pusat reaksi P700, yang berarti bahwa fotosistem ini optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 700 nm, sedangkan fotosistem II (PS II) berisi pusat reaksi P680 dan optimal menyerap cahaya pada panjang gelombang 680 nm. Hasil dari aktifitas fotosintesis tersebut salah satunya adalah gas oksigen (O2) yang bersifat tidak mengikat panas.
Menurut Raven et al., 2005, reaksi secara keseluruhan yang terjadi pada reaksi terang adalah sebagai berikut:
Sinar + ADP + Pi + NADP+ + 2H2O → ATP + NADPH + 3H+ + O2
Kerja sama PS I dan PS II dengan menyerap energi gelombang radiasi matahari optimal sebesar P700 nm dan P680 nm menyebabkan gelombang panjang yang masuk ke dalam rumah tanaman berubah menjadi gelombang
pendek dan memiliki energi yang lebih kecil, sehingga tidak mampu menembus atap rumah tanaman dan tertangkap di dalamnya. Hal ini terjadi karena sebagian besar gelombang radiasi matahari diserap tanaman sehingga dapat mengurangi sifat panas yang berlebih akibat gelombang pendek yang dipantulkan oleh benda- benda yang ada di dalam rumah tanaman termasuk tanaman tomat yang dibudidayakan. Apabila dihubungkan dengan fenomena bahwa perbedaan suhu pada waktu pagi hari (pukul 06:00) sampai siang hari (pukul 12:00), maka perbedaan ketika fase generatif (tumbuhan sudah besar dan mulai berbuah), lebih kecil dibandingkan dengan perbedaan suhu ketika fase vegetatif (Gambar 14).
Pada fase vegetatif perbedaan suhu terlihat tidak begitu fluktuasi dan cenderung stabil, karena aktifitas pertumbuhan tanaman belum begitu berpengaruh terhadap dinamika kondisi iklim mikro, sedangkan fase generatif perbedaan suhu inside dan outside berfluktuasi.
Gambar 14. Dinamika perbedaan suhu inside dan outside rumah tanaman.
Hal menarik pada Gambar 14 adalah perubahan perbedaan suhu inside dan outside setelah pukul 12:30 siang pada fase generatif, dimana perubahan perbedaan suhu meningkat secara drastis kemudian bertahan di atas angka 3°C.
Pada waktu yang sama, terjadi penurunan nilai radiasi matahari cukup drastis yang diikuti oleh penurunan udara lingkungan luar rumah tanaman. Penurunan udara luar dari pukul 12:30 sampai pukul 18:00 cukup signifikan, namun setelah
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00
Suhu (°C)
Waktu pengukuran
Perbedaan suhu luar dan dalam fase generatif Perbedaan suhu luar dan dalam fase vegetatif
itu penurunan suhu luar terlihat lebih halus dan stabil. Sementara itu, suhu di dalam rumah tanaman ikut menurun namun tidak begitu drastis dan cenderung stabil ketika tidak ada lagi radiasi matahari.
Kondisi suhu di dalam rumah tanaman yang stabil diduga akibat dari aktifitas fotosistesis tanaman yang tidak melibatkan cahaya (disebut reaksi gelap) dan respirasi tanaman. Reaksi gelap pada tumbuhan dapat terjadi melalui dua jalur, yaitu siklus Calvin-Benson dan siklus Hatch-Slack (Raven et al ., 2005).
Pada siklus Calvin-Benson tumbuhan mengubah senyawa ribulosa 1,5 bisfosfat
menjadi senyawa dengan jumlah atom karbon tiga yaitu senyawa 3-phosphogliserat (Raven et al., 2005). Oleh karena itulah tumbuhan yang
menjalankan reaksi gelap melalui jalur ini dinamakan tumbuhan C-3. Penambatan CO2 sebagai sumber karbon pada tumbuhan ini dibantu oleh enzim rubisco (Raven et al ., 2005). Tumbuhan yang reaksi gelapnya mengikuti jalur Hatch- Slack disebut tumbuhan C-4 karena senyawa yang terbentuk setelah penambatan CO2 adalah oksaloasetat yang memiliki empat atom karbon (Raven et al ., 2005).
Enzim yang berperan adalah phosphoenolpyruvate carboxilase. Penambatan gas karbon yang bersifat dapat menyimpan panasmengakibatkan suhu tumbuhan saat melakukan proses metabolisme ini bersifat lebih hangat.
Selain itu, tumbuhan melakukan proses respirasi yang dipengaruhi oleh ketersediaan oksigen. Respirasi merupakan proses penguraian senyawa organik menjadi air dan karbondioksida untuk memperoleh energi dengan bantuan oksigen (Raven et al., 2005), dimana secara keseluruhan proses respirasi dapat dirangkum sebagai berikut:
Produk respirasi tumbuhan berupa CO2 dan berkumpul di dalam rumah tanaman dapat mengakibatkan efek rumah kaca secara lokal, sehingga suhu udara di dalam rumah tanaman tetap hangat walaupun suhu udara diluar berangsur menurun. Oleh karena itu, perbedaan suhu antara di luar dengan di dalam pada fase generatif cenderung lebih besar dibandingkan dengan perbedaan suhu di malam hari saat fase vegetatif.
Kecepatan angin bertiup secara fluktuasi ketika kondisi terang, yaitu dari pagi sampai sore. Angin bergerak secara fluktuasi sejalan dengan penurunan nilai RH dan berbanding terbalik (Gambar 15). Pada fase vegetatif (tanggal 16 Juli 2010), angin dominan bergerak dari arah utara (N) menuju selatan (S). Namun pada fase generatif (23 Agustus 2010), pergerakan angin dominan berasal dari arah selatan menuju utara.
.
Gambar 15. Fluktuasi kecepatan angin dan perubahan kelembaban udara pada; (a) 16 Juli, (b) 23 Agustus.
0 1 2 3 4 5
50 60 70 80 90 100
6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00
kecepatan udara (m s¯¹)
RH (%)
waktu pengukuran
RH luar GH kecepatan udara
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 20 40 60 80 100 120
6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00
kacepatan udara (m s-1)
RH (%)
Waktu Pengukuran
Kelembaban udara Kecepatan udara
a
b
Fluktuasi kecepatan angin pada siang hari tanggal 16 Juli 2010 hingga mencapai kecepatan 4.5 m s-1, sedangkan pada malam hari angin dominan tidak bergerak. Berbeda dengan tanggal 23 Agustus 2010, tiupan angin cenderung lebih kecil hanya mencapai 1.3 m s-1 pada siang hari dan tanpa angin ketika malam hari.
Fenomena alamiah ini dapat menunjukkan bahwa untuk menurunkan nilai RH dapat dilakukan dengan cara penerapan kontrol aktif pergerakan udara pada lingkungan tersebut. Salah satu contohnya adalah dengan penerapan exhaust fan atau blower pada rumah tanaman.
4.2 Simulasi Rumah Tanaman dengan CFD
Simulasi distribusi suhu dan pola aliran udara pada rumah tanaman yang melibatkan penerapan exhaust fan dipengaruhi nyata oleh 3 hal komponen, yaitu sifat porositas dan kehilangan tekanan pada aliran udara yang melewati dinding screen, karakteristik aliran udara pada exhaust fan, serta karakteristik aliran udara diantara tanaman yang dibudidayakan. Oleh karena itu, karakteristik dari masing- masing komponen tersebut perlu dihitung dan dianalisa terlebih dahulu sebagai input atau data pendukung bagi simulasi pada rumah tanaman.
4.2.1 Grid hasil Diskritisasi
Secara prinsip, pada wilayah yang dekat dengan dinding solid, fluida yang mengalir akan membentuk suatu lapisan yang disebut boundary layer akibat dari adanya tumbukan dan tegangan geser pada dinding. Perubahan parameter fisik fluida pada wilayah boundary layer terjadi secara fluktuasi.
Oleh karena itu dibutuhkan media untuk menangkap peristiwa perubahan yang terjadi pada setiap parsel fluida yang bergerak agar dapat dianalisa.
Hal inilah yang mendasari keragaman grid yang dibentuk.
Keragaman grid dapat mempengaruhi akurasi perhitungan. Kondisi regional kasa yang memiliki sifat poros, nilai grid yang dibuat harus jauh lebih halus dari regional lainnya. Hal ini diharapkan fluida yang melewati media kasa atau screen house dapat terhitung oleh solver. Bentuk grid hasil dari diskritisasi dengan FVM pada software flow simulation SolidWorks konsisten dan terstruktur berupa tetrahedral. Keragaman grid geometri rumah tanaman disajikan oleh Gambar 16.
Gambar 16. Keragaman sebaran grid pada geometri rumah tanaman; (a) tampak depan, (b) tampak atas, dan (c) tampak samping.
Grid pada rumah tanaman terbagi menjadi 2 jenis grid yaitu fluida dan solid. Jumlah grid yang berupa fluida sebesar 948121 grid, sedangkan grid
a
b
c
yang berupa solid berjumlah 14865 grid. Jumlah grid ini menentukan besarnya memori yang dibutuhkan untuk melakukan iterasi. Biasanya 1 MB memori RAM pada perangkat komputer yang digunakan itu berbanding dengan 100 grid. Sedangkan jumlah grid yang terbentuk dipengaruhi oleh batasan domain yang dirancang. Batasan domain pada model rumah tanaman yang disimulasikan secara rinci dapat dilihat dari data yang disajikan pada Tabel 4.
Tabel 4 Batasan domain (region) untuk model simulasi rumah tanaman.
Keragaman grid dalam penentuan kehilangan tekanan pada material screen atau kasa dilihat Gambar 17, sedangkan batasan domain dari model uji kehilangan tekanan pada material kasa disajikan pada Tabel 5. Jumlah grid yang terbentuk sebanyak 120532 grid fluida dan 105776 grid solid.
Model simulasi aliran udara yang melewati exhaust fan memiliki keragaman grid seperti disajikan pada Gambar 17, dan jumlah grid yang terbentuk adalah sebesar 1114628 grid fluida dan 352 grid solid.
Gambar 17. Keragaman sebaran grid pada geometri kasa di dalam wind tunnel digital tampak trimetric.
Tabel 5 Batasan domain (region) untuk model simulasi material kasa
4.2.2 Uji Kehilangan Tekanan pada Material Poros
Nilai debit aliran udara dan perbedaan tekanan dapat diuji pada wind tunnel dengan memberikan perlakuan debit udara yang berbeda dan dilewatkan kedalam material kasa. Material kasa digambarkan berupa solid dan dilubangi sesuai dengan nilai porositasnya. Nilai porositas material kasa rumah tanaman dihitung dengan persamaan 3, dimana panjang void l = 0.2 mm, lebar void w = 0.17 mm, sedangkan diameter bahan penyusun kasa d = 0.045 mm, maka nilai porositas yang dimiliki kasa adalah 64.5 %.
Udara melewati bahan poros tersebut terjadi kehilangan tekanan udara akibat adanya gaya gesek dan momentum partikel udara yang membentur
media berpori. Karakteristik pola aliran udara yang melewati suatu media berpori ditentukan oleh nilai permeabilitas material poros K dan faktor inersia Y. Nilai permeabilitas poros dan faktor inersia dapat dihitung dengan persamaan 2 sebagai berikut:
6 . 1
10 9
44 .
3
K
13 . 2
10 2
3 .
4
Y
Gaya gesek yang terjadi saat udara membentur dinding permukaan solid bagian samping dari lubang void media poros menimbulkan adanya vortex pada aliran. Vortex merupakan pola aliran baru akibat adanya integral momentum volume udara yang melewati dinding bahan kasa (Okiishi et al ., 2006). Ketika terjadi pemisahan aliran (creeping flow) maka terjadi pula pusaran-pusaran lokal. Hal ini dipengaruhi oleh nilai Reynold number fluida. Potensi adanya pembentukan vortex di dalam aliran fluida dinamakan vorticity. Fenomena adanya vortex yang melewati bahan kasa dapat dilihat pada Cut plot trajectori aliran udara Gambar 18.
(a) (b)
Gambar 18. (a) bentuk geometri kasa yang akan diuji pada wind tunnel CFD, (b) vortex atau pusaran-pusaran lokal pada aliran udara setelah melewati bahan kasa.
6 . 1 9(0.645) 10
44 .
3
10 9
705 .
1
13 . 2 2(0.645) 10
3 .
4
10 2
94 .
10
m2
Kehilangan tekanan terjadi akibat adanya nilai resistansi udara atau lebih dikenal dengan sebutan koefisien drag. Hal ini terlihat jelas pada Gambar 19 sebagai Cut plot hasil simulasi yang merepresentasikan perubahan nilai tekanan udara dengan menggunakan gradasi warna yang berbeda.
Gambar 19. Kontur fenomena kehilangan tekanan pada aliran udara.
Pengujian kehilangan tekanan dilakukan dengan memasukkan nilai kecepatan angin yang berbeda-beda pada wind tunnel kemudian dicatat perbedaan tekanan udara ketika akan melewati bahan kasa dan tekanan udara ketika sudah melewati bahan kasa. Pola perubahan kehilangan tekanan berbanding lurus dengan peningkatan debit udara yang dihembuskan dan korelasinya dapat dikatakan linier. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 20.
Gambar 20. Korelasi antara kehilangan tekanan dengan debit udara.
0.297 1.680 3.985 7.212 11.361
16.432 22.424
29.339 37.176
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 0.36 0.42 0.48 0.54
pressure drop (Pa)
volume flow rate (m3s-1) pressure drop kasa
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.
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
b
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.
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
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
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
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
c
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.
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
.
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
4.4 Pola Aliran Udara
Pola aliran udara di dalam rumah tanaman dapat dianalisa dengan vektor aliran udara yang disajikan dalam bentuk kontur vektor udara. Gradasi warna menunjukkan level nilai kecepatan udara, sementara itu untuk memahami arah pergerakan udara, dapat dengan mudah dilihat dari arah panah atau vektor yang ada, sedangkan panjang dan kerapatan panah menunjukkan kerapatan aliran udara.
Sama seperti distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman, analisa vektor aliran udara dibedakan menjadi dua kondisi besar, yaitu kondisi rumah tanaman tanpa adanya aktifitas pertumbuhan tanaman dan kondisi dengan adanya aktifitas pertumbuhan tanaman. Arah aliran udara pada kondisi rumah tanaman kosong berhembus searah dengan sumbu x (dari utara ke selatan). Profil hembusan udara tidak seragam, namun semakin besar kecepatanya sejalan dengan ketinggian (arah sumbu y). Kemudian, exhaust fan belum tidak dioperasikan ketikan rumah tanaman dalam keadaan kosong atau tidak ada aktifitas pertumbuhan tanaman.
4.4.1 Pola Aliran Udara pada Rumah Tanaman Tanpa Tanaman
Dari Gambar 27 terlihat bahwa aliran udara di dalam rumah tanaman menyebar tak seragam dan terjadi perputaran aliran. Udara dari lingkungan dominan masuk ke dalam rumah tanaman melalui ventilasi bukaan atas yang bersifat lebih besar lubang void material kasanya. Selain itu, hembusan udara semakin kencang sejalan dengan peningkatan elevasi. Hal tersebut menunjukkan efektifitas kinerja dari ventilasi alamiah pada zona bukaan atas cukup baik, dimana udara lingkungan luar yang biasanya suhunya lebih rendah dari udara di dalam rumah tanaman dapat masuk ke dalam rumah tanaman sehingga memperkecil perbedaan suhu antara di luar dengan di dalam.
Peristiwa stagnasi aliran udara terjadi pada zona dinding kasa bawah sehingga nilai kecepatan udara sangat rendah dan mengalami kehilangan tekanan yang disebabkan oleh nilai resistansi udara pada kasa. Nilai resistansi pada dinding kasa mengakibatkan udara yang berada di dalam rumah tanaman terjebak. Dengan suplai udara yang berasal dari hembusan angin masuk melalui kasa ventilasi bukaan atas menyebabkan udara
berputar ke arah bawah dan berbalik arah di bagian atas (Gambar 25.a dan Gambar 27.b). Namun pada zona dekat lantai bagian tengah dan di bawah bedengan NFT, arus udara bergerak berlawan dengan arah angin dan cukup besar nilai kecepatannya, yaitu di atas 1 m s-1.
Dari Gambar 27 terlihat jelas bahwa aliran udara di dalam rumah tanaman berputar berbalik arah pada zona tengah. Fenomena ini mengindikasikan bahwa pergerakan udara di dalam rumah tanaman dipengaruhi oleh permukaan dinding rumah tanaman, baik tembok maupun dinding kasa. Dimana gaya gesek dan kekasaran yang dimiliki oleh suatu permukaan dinding tersebut mempengaruhi keterikatan fluida terhadap permukaan dinding yang dilalui. Oleh karena itu, udara cenderung bergerak di daerah permukaan tersebut dan ketika sampai pada dinding belakang yang tegak lurus terhadap arah alirannya maka terjadi momentum fluida sehingga pergerakan udara berbalik arah dan membentuk pusaran seperti sayap kupu-kupu.
Aliran fluida pada zona tengah dengan ketinggian 0.5 m (Gambar 28.a) menunjukkan nilai kecepatan yang cukup besar dibandingkan dengan ketinggian 1.5 m dan 2 m dari lantai. Penyebab terjadinya hal tersebut adalah material dinding yang menjadi pembatas ruangan rumah tanaman yang terbuat dari tembok semen sampai ketinggian 0.5 m, sehingga udara tidak dapat menembusnya. Oleh karena itu, parsel udara yang terjebak di dalamnya lebih banyak dibandingkan dengan di bagian atas yang terbuat dari kasa dimana udara masih dapat melewatinya sekalipun memiliki sifat resistansi udara. Kemudian, udara tersebut mendapatkan perlakuan termal dari sifat radiatif permukaan lantai, sehingga suhu di atas permukaan lantai lebih tinggi daripada suhu di pertengahan. Udara yang terpanaskan akan bersifat lebih aktif dan lebih ringan sehingga masa jenisnya berkurang.
Berkurangnya masa jenis udara ditambah pengaruh dari gaya gravitasi, maka udara yang terpanaskan akan cenderung bergerak ke atas. Maka dari itulah pergerakan udara yang di zona tengah bagian bawah lebih cepat dibandingkan di zona tengah bagian atasnya.
Gambar 27. Cut plot dinamika kecepatan udara di dalam rumah tanaman tampak samping; (a) bidang tengah; (b) 1 m, dan (c) 2 m dari bidang tengah; tanpa tanaman.
a
b
c
Gambar 28. Cut plot dinamika kecepatan udara di dalam rumah tanaman tampak atas; (a) 0.5 m; (b) 1.5 m, dan (c) 2 m dari lantai; tanpa tanaman.
Aliran udara yang menerpa dinding kasa secara frontal (tegak lurus dengan arah pergerakan udara) mengalami resistansi yang cukup kuat sehingga terjadi stagnasi dan kehilangan tekanan (Gambar 28.a). Namun, pada dinding kasa bagian bukaan atas tidak terjadi stagnasi dan kehilangan
c b a
tekanan, melainkan kecepatan udara cukup tinggi. Hal ini terjadi karena efek integral momentum udara yang menerpa ujung atap kanopi bagian depan sebelum menerpa dinding kasa, sehingga dorongan udara menembus dinding kasa menjadi lebih besar. Demikian pula kecepatan udara pada bagian samping dekat dinding terlihat lebih tinggi, merupakan akumulasi dari integral momentum udara yang membentur tiang rumah tanaman.
c b a
Gambar 29. Cut plot kecepatan udara pada rumah tanaman tampak depan;
(a) 0.5 m, (b) 3 m, dan (c) 6 m, (d) 9 m, dan (e) 11.5 m dari pintu depan; tanpa tanaman.
Dari Gambar 29 terlihat bahwa aliran udara dari dalam rumah tanaman keluar melalui kasa ventilasi bukaan atas terjadi pada jarak setelah 6 m dari pintu depan, sedangkan kurang dari 6 m dari pintu depan udara dari lingkungan masuk ke dalam rumah tanaman.
4.4.2 Pola Aliran Udara pada Rumah Tanaman dengan Tanaman.
Aliran udara tampak samping pada saat ada aktifitas pertumbuhan tanaman cenderung berputar antara bagian atas dan bawah. Pada bagian bawah, arah pergerakan udara berlawanan dengan arah angin yang masuk ke dalam rumah tanaman. Angin banyak masuk ke dalam rumah tanaman melalui ventilasi bukaan atas yang ditunjukan dengan nilai kecepatan udara cukup tinggi. Resistansi udara yang dimiliki oleh dinding kasa bawah bekerja sukup baik sehingga menyebabkan udara yang menerpa dinding
e d
tersebut mengalami stagnasi. Hal ini dibuktikan oleh Gambar 30, yang menunjukan aliran udara pada rumah tanaman tampak samping.
Gambar 30. Cut plot dinamika kecepatan udara di dalam rumah tanaman tampak samping; (a) bidang tengah; (b) 1 m, dan (c) 2 m dari bidang tengah; dengan tanaman.
Dari Gambar 30.b terlihat bahwa pada area pertumbuhan tanaman yaitu di atas bedengan, pola kecepatan udara sangat rendah, dimana pada daerah tersebut terjadi pusat pusaran udara. Sehingga dapat diperkirakan bawah suplai udara bagi tanaman cukup rendah. Namun, pada dinding kasa belakang tampak sebagian udara yang berputar mengarah ke exhaust fan
a
b
c
(Gambar 30.a dan Gambar 30.b). Hal ini menunjukan bahwa exhaust fan sedang bekerja, walau pun pengaruh dari kinerja exhaust fan kecil.
Kecepatan udara yang tinggi terdapat pada ventilasi atas bagian dinding depan dimana udara bergerak ke luar yang dipengaruhi oleh dorongan udara yang masuk dari luar dan juga peranan efek bouyancy.
Selain itu, tumbukan udara pada tepi siku yang memisahkan antara dinding bawah dan dinding atas juga berperan meningkatkan kecepatan udara yang keluar melalui bukaan atas tersebut.
Pada Gambar 30.c bagian bawah terlihat bahwa kecepatan udara di zona tersebut cukup rendah. Ini terjadi akibat efek pusaran udara yang berputar diantara tembok semen bangunan rumah tanaman. Hal tersebut dapat ditunjukkan pula oleh Gambar 31.a. Pada tepi tiang belakang bangunan rumah tanaman, posisi dimana udara dari luar menerpa rumah tanaman terlihat kecepatan udara di sekitar tiang tersebut cukup tinggi dari daerah samping lainnya. Hal ini disebabkan oleh gaya tumbukan udara yang membentur tiang sehingga lentingan dari momentum udara terhadap tiang solid tersebut mengakumulasikan gaya dan kecepatan pun bertambah.
Pusaran angin yang ditunjukkan oleh nilai kecepatan udara yang rendah (berwarna biru) pada wilayah dalam rumah tanaman, semakin ke atas pusarannya semakin bergesar ke tengah an semakin kecil, kemudian keluar melalui ventilasi bukaan atas (bandingkan antara Gambar 31.a, Gambar 31.b dan Gambar 31.c).
Kecepatan udara di lingkungan luar rumah tanaman semakin tinggi elevasinya, maka kecepatan udara semakin besar. Hal ini terlihat dari gradasi warna di luar rumah tanaman yang semakin dominan berwarna hijau antara pada ketinggian 0.5 m sampai 2 m dari permukaan lantai. Semakin kencang angin bertiup maka wilayah pusaran lokal (vortex) yang terbentuk akan semakin luas.
Gambar 31. Cut plot dinamika kecepatan udara di dalam rumah tanaman tampak atas; (a) 0.5 m; (b) 1.5 m, dan (c) 2 m dari lantai;
dengan tanaman.
a
b
c
Aliran udara di dalam rumah tanaman jika dilihat secara 3D, aliran udara di dalam rumah tanaman seakan membentuk sebuah pola palung udara di bagian tengah rumah tanaman. Bentuk paling yang terjadi dipengaruhi oleh sifat resistansi dinding rumah tanaman terhadap kemampuan udara untuk menembus permukaan dinding yang menyelubungi bangunan rumah tanaman. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 32, yang menunjukkan perubahan bidang pola aliran udara tampak depan pada berbagai jarak bidang dari pintu depan.
Dari Gambar 30.e terlihat bahwa kecepatan udara di dekat dinding kasa bagian belakang (sekitar 0.5 m) ada wilayah yang memiliki kecepatan udara cukup tinggi artinya tidak terpengaruh oleh resistansi kasa. Hal tersebut menunjukkan kinerja dari exhaust fan. Hal serupa juga tampak pada Gambar 30.a dan 30.b tampak samping, kecepatan udara di dekat exhaust fan terlihat lebih besar akibat sedotan dari kerjanya exhaust. Namun pengaruhnya terhadap pola aliran di dalam rumah tanaman sangat kecil.
a
b
Gambar 32. Cut plot kecepatan udara pada rumah tanaman tampak depan;
(a) 0.5 m, (b) 3 m, dan (c) 6 m, (d) 9 m, dan (e) 11.5 m dari pintu depan; dengan tanaman.
4.5 Validasi Model Sebaran Suhu pada Rumah Tanaman.
Validasi model dilakukan dengan membandingkan data hasil simulasi/prediksi dengan data hasil pengukuran pada posisi titik yang sama.
c
e d
Untuk merepresentasikan sebaran suhu, telah diambil 8 titik sebaran suhu yang berbeda pada zona atas pertumbuhan tanaman, yaitu di sekitar atas bedengan NFT atau zona ruangan rumah tanaman bagian timur. Nilai eror dihitung dengan menggunakan persamaan (17) yang menunjukkan tingkat akurasi dari hasil simulasi. Nilai eror yang di dapat dari dua model yang disimulasikan, yaitu model tanpa aktifitas pertumbuhan tanaman dan model dengan aktifitas pertumbuhan tanaman, menunjukkan hasil yang bagus yaitu < 10 %. Secara rinci dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 6 Nilai error dari model hasil simulasi.
Model titik ukur
ordinat suhu [°C] Error
x [m] y [m] z [m] simulasi Ukur (%)
dengan aktifitas tanaman
1 -4 2 -0.5 32.09 32.3 0.64
2 -1.5 2 -0.5 32.07 31.8 0.86
3 1.5 2 -0.5 32.07 34.0 5.67
4 4 2 -0.5 32.08 35.3 9.13
5 -4 2 -2 32.08 29.2 9.87
6 -1.5 2 -2 32.07 29.3 9.46
7 1.5 2 -2 32.07 33.0 2.81
8 4 2 -2 32.07 34.3 6.50
tanpa aktifitas tanaman
1 -4 2 -0.5 31.43 29.2 7.64
2 -1.5 2 -0.5 31.46 34.3 8.28
3 1.5 2 -0.5 31.44 34.4 8.60
4 4 2 -0.5 31.43 30.2 4.07
5 -4 2 -2 31.45 31.7 0.79
6 -1.5 2 -2 31.46 31.4 0.19
7 1.5 2 -2 31.45 32.6 3.53
8 4 2 -2 31.45 32.3 2.63
rata-rata 5.04
Nilai error pada lebih besar ditunjukkan oleh model simulasi yang dengan aktifitas pertumbuhan tanaman, terlihat hampir mendekati angka 10 %. Hal ini terjadi karena pembatasan kondisi yang dilakukan sangat sederhana, dimana karakteristik fisik dari tanaman yang dibudidayakan di dalam rumah tanaman tidak didefinisikan ke dalam model. Hanya saja aktifitas pertumbuhan tanaman diwakili oleh nilai suhu pada bedengan dan kinerja exhaust fan. Maka, banyaknya pembatasan model dapat mengurangi nilai akurasi dari model tersebut.
Koefisien keseragaman (CU ) dihitung dengan menggunakan persamaan 18.
Hasil dari perhitungan didapatkan CU pada model tanpa aktifitas pertumbuhan tanaman sebesar 98.2 % sedangkan CU untuk model rumah tanaman yang dengan aktifitas pertumbuhan tanaman diperoleh 99 %. Oleh karena itu, hasil simulasi dapat dikatakan baik karena nilai CU > 75 %.
