PREDIKSI POLA ALIRAN DAN DISTRIBUSI SUHU UDARA PADA RUMAH TANAMAN TIPE MODIFIEDSTANDARD PEAK
DI KECAMATAN DRAMAGA, BOGOR
WARTO
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Prediksi Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Tipe ModifiedStandard Peak di Kecamatan Dramaga, Bogor adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, April 2014
Warto
ABSTRAK
WARTO. Prediksi Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Tipe Modified Standard Peak di Kecamatan Dramaga, Bogor. Dibimbing oleh HERRY SUHARDIYANTO.
Rumah tanaman adalah sebuah bangunan yang dirancang dan dibangun untuk melindungi tanaman dari kondisi lingkungan yang tidak mendukung. Rancangan rumah tanaman di daerah tropika harus dipertimbangkan agar suhu udara di dalam rumah tanaman tidak terlalu tinggi. Kajian simulasi tentang distribusi suhu sangat penting untuk dasar perancangan rumah tanaman. Tujuan penelitian ini adalah mempelajari dan memprediksi pola aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman tipe modified standard peak. Parameter yang diukur dalam penelitian ini meliputi suhu udara, radiasi matahari, kelembaban udara, dan kecepatan angin. Data dicatat setiap 30 menit, dimulai pada pukul 06.00 WIB sampai dengan pukul 18.00 WIB. Hasil penelitian menunjukkan bahwa suhu udara tertinggi terjadi di daerah sekitar atap karena pengaruh dari
chimney effect dan greenhouse effect. Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa aliran udara bergerak dari luar rumah tanaman ke dalam rumah tanaman. Hal tersebut terjadi karena perbedaan kerapatan udara. Hasil validasi diatas 90% dan nilai erornya kurang dari 10%, sehingga dapat disimpulkan bahwa model yang disimulasikan valid untuk lingkungan di dalam rumah tanaman.
Kata kunci: greenhouse effect, rumah tanaman, suhu udara
ABSTRACT
WARTO. Prediction of Air Flow Pattern and Temperature Distribution at Modified Standard Peak Greenhouse in Dramaga District, Bogor. Supervised by HERRY SUHARDIYANTO.
Greenhouse is a building disigned and built to protect the plants from unfavorable environmental conditions. Design of greenhouse in tropics must be considered, so that air temperature in greenhouse are not too high. Simulation study of air temperature distribution is very important for basic design of greenhouse. The purpose of this research was to study and predict air flow pattern and temperature distribution in modified standard peak greenhouse. Parameters measured in this research were air temperature, solar radiation, air humidity, and wind speed. Data were recorded every 30 minutes, started from 06.00 am to 06.00 pm. Results showed that the highest air temperature occured in around the roof area, as influenced by chimney effect and greenhouse effect. Results also showed that air flowed from outside to inside greenhouse. It were caused by differences in air density. Validation results were 90% and errors less than 10% , so it can be concluded that simulated model was valid for environment greenhouse.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biositem
PREDIKSI POLA ALIRAN DAN DISTRIBUSI SUHU UDARA
PADA RUMAH TANAMAN TIPE MODIFIED STANDARD PEAK
DI KECAMATAN DRAMAGA, BOGOR
WARTO
DEPARTEMEN
TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Prediksi Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Tipe ModifiedStandard Peak di Kecamatan Dramaga, Bogor
Nama : Warto NIM : F14090072
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei 2013. Tema yang dipilih dalam penelitian ini ialah lingkungan pada rumah tanaman, dengan judul Prediksi Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Tipe Modified Standard Peak di Kecamatan Dramaga, Bogor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc selaku dosen pembimbing. Dr Leopold O. Nelwan, STP MSi dan Dr Ir Gatot Pramuhadi, MSi selaku dosen penguji, Bapak Ahmad, Bapak Darma, Bapak Agus yang telah membantu pelaksanaan penelitian dan menyediakan fasilitas selama penelitian. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Ibu, Bapak, kakak dan seluruh keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya, teman-teman Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 46 khususnya Dani, Koi, Waqif, Ina, Nurul, Riska, Zaki, dan teman satu asrama Sylvapinus serta tidak lupa kepada sahabatku Wildan, Robi, dan Taufik Hidayat atas dukungan dan semangatnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi pembaca dan semua pihak yang berkepentingan.
Bogor, April 2014
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 1
Tujuan Penelitian 2
TINJAUAN PUSTAKA 2
Rumah Tanaman 2
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara 4
Computational Fluid Dynamics (CFD) 7
METODOLOGI PENELITIAN 9
Waktu dan Tempat Penelitian 9
Bahan 9
Alat 9
Prosedur Penelitian 9
HASIL DAN PEMBAHASAN 13
Radiasi Matahari 13
Suhu Udara 14
Simulasi CFD 16
Hasil Simulasi 21
SIMPULAN DAN SARAN 27
Simpulan 27
Saran 28
DAFTAR PUSTAKA 28
LAMPIRAN 30
DAFTAR TABEL
1 Input kondisi awal simulasi rumah tanaman 16
2 Sifat bahan polycarbonate, concrete, dan steel mild 20
3 Titik boundary conditions 21
DAFTAR GAMBAR
1 Bentuk-bentuk atap rumah tanaman 3
2 Sudut yang dibentuk oleh radiasi matahari dan atap penutup rumah 5 3 Hubungan antara sudut datang radiasi matahari dan transmisivitas
(%) 5
4 Hubungan bahan atap, panjang gelombang, dan transmisivitas 6
5 Diagram alir penelitian 12
6 Grafik perbedaan radiasi matahari di dalam rumah tanaman dan di
luar rumah tanaman pada tanggal 23 Mei 2013 13
7 Grafik perbedaan suhu udara di dalam rumah tanaman dan di luar
rumah tanaman pada tanggal 23 Mei 2013 15
8 Pengaturan tipe analisis pertama pada kasus 1 17 9 Pengaturan tipe analisis kedua pada kasus 1 17 10 Pengaturan jenis fluida dan tipe aliran yang dianalisis pada kasus 1 18
11 Pengaturan kondisi batas pada kasus 1 18
12 Pengaturan wall condition pada kasus 1 19
13 Pengaturan kondisi awal pada kasus 1 19
14 Titik boundary conditions 21
15 Distribusi suhu udara pada saat radiasi 0 W/m2. (a) tampak depan, (b)
tampak samping 23
16 Distribusi suhu udara pada saat radiasi 520 W/m2. (a) tampak depan,
(b) tampak samping 24
17 Pola aliran udara pada saat radiasi matahari 0 W/m2. (a) tampak
depan, (b) tampak samping 25
18 Pola aliran udara pada saat radiasi matahari 520 W/m2. (a) tampak
depan, (b) tampak samping 26
19 Grafik validasi suhu pengukuran dan suhu simulasi 27
DAFTAR LAMPIRAN
1 Validasi titik suhu simulasi pada saat radiasi matahari 0 W/m2 30 2 Validasi titik suhu simulasi pada saat radiasi matahari 520 W/m2 31 3 Diagram analisis flow simulation pada solidwork 32
4 Titik-titik pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman 33
4 Data parameter lingkungan 34
5 Data titik validasi suhu udara 36
6 Struktur rumah tanaman tampak depan 39
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Setiap tanaman memiliki lingkungan tumbuh optimal yang khas. Lingkungan tumbuh yang optimal akan mempengaruhi pertumbuhan dan hasil produksi yang baik. Lingkungan tumbuh yang tidak optimal akan menyebabkan tanaman tidak tumbuh dengan baik. Pada fase pembibitan, tanaman membutuhkan lingkungan yang steril agar memperoleh bibit yang baik. Pada fase perkembangan, lingkungan yang tidak mendukung akan menyebabkan gugur bunga dan produktifitas yang tidak optimal.
Rumah tanaman adalah bangunan yang dirancang dan dibangun untuk melindungi tanaman dari kondisi cuaca yang tidak mendukung maupun serangan hama dan penyakit tanaman. Rumah tanaman juga memungkinkan terjadinya pengendalian lingkungan baik secara alami maupun mekanik. Pengendalian lingkungan antara lain meliputi beberapa parameter seperti cahaya, suhu, kelembaban, dan konsentrasi CO2. Teknologi rumah tanaman memungkinkan
produksi tanaman dilakukan secara lebih terencana dari segi kualitas, kuantitas, dan waktu panen. Penggunaan rumah tanaman merupakan salah satu wujud budidaya tanaman dalam lingkungan yang terkendali (controlled environmental agriculture) dimana lingkungan pertumbuhan tanaman dijaga untuk berada atau mendekati kondisi optimal bagi tanaman yang dibudidayakan (Suhardiyanto 2009).
Penggunaan rumah tanaman di Indonesia biasanya ditujukan untuk melindungi tanaman dari hujan deras serta terpaan angin kencang yang dapat merusak tanaman. Hal ini berbeda dengan tujuan pembuatan rumah tanaman di daerah subtropika yang bertujuan untuk melindungi tanaman dari suhu udara yang sangat rendah pada musim dingin.
Pada proses penerapannya, rumah tanaman di Indonesia mengalami banyak kendala. Salah satunya adalah suhu di dalam rumah tanaman yang tinggi. Berdasarkan penelitian Suhardiyanto (2009) suhu udara di dalam rumah tanaman mencapai 35oC. Hal ini tidak sesuai dengan kebutuhan suhu udara bagi tanaman yang hanya di bawah 30oC. Permasalahan ini disebabkan karena faktor iklim yang berbeda untuk setiap negara. Setiap negara akan menerapkan tipe rumah tanaman yang berbeda sesuai dengan kondisi iklimnya. Rancangan rumah tanaman akan mempengaruhi kondisi lingkungan di dalam rumah tanaman.
Penggunaan computational fluid dynamic (CFD) merupakan salah satu teknik simulasi aliran udara untuk memprediksi pola aliran udara dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Dengan menggunakan metode ini, kondisi lingkungan di dalam rumah tanaman dapat diprediksi.
Perumusan Masalah
Suhu udara yang tinggi di dalam rumah tanaman merupakan kendala dalam penggunaan rumah tanaman sebagai bangunan perlindungan tanaman di daerah beriklim tropika basah. Lingkungan eksternal yang berubah-ubah, adanya efek
rumah tanaman. Hal ini menuntut adanya rancangan rumah tanaman yang tepat. Kajian tentang simulasi pola aliran dan distribusi udara sangat penting untuk menjadi dasar perancangan rumah tanaman. Berdasarkan hal tersebut, permasalahannya dapat dirumuskan antara lain bagimana perbedaan antara radiasi matahari dan suhu udara di dalam rumah tanaman dan di luar rumah tanaman, bagaimana prediksi pola aliran dan distribusi suhu udara menggunakan
computational fluids dynamic, dan bagaimana hasil simulasi suhu udara menggunakan CFD divalidasikan dengan hasil pengukuran.
Tujuan Penelitian
1. Membandingkan radiasi matahari dan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman.
2. Melakukan simulasi pola aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman tipe modifiedstandard peak.
3. Melakukan validasi hasil simulasi suhu udara menggunakan CFD dengan hasil pengukuran.
TINJAUAN PUSTAKA
Rumah Tanaman
Rumah tanaman merupakan bangunan yang dirancang dan dibangun untuk melindungi tanaman sehingga tanaman dapat tumbuh dengan baik. Nelson (1978) mendefinisikan rumah tanaman sebagai suatu bangunan untuk budidaya tanaman yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya.
Kondisi iklim yang berbeda mempengaruhi fungsi dari rumah tanaman. Di daerah subtropik rumah tanaman berfungsi untuk melindungi tanaman dari suhu udara yang rendah pada saat musim dingin. Hal ini berbeda pada pemanfaatan rumah tanaman di daerah gurun. Di daerah gurun rumah tanaman berfungsi melindungi tanaman dari suhu udara yang tinggi. Menurut Suhardiyanto (2009), pemanfaatan rumah tanaman di daerah tropika lebih ditujukan untuk melindungi tanaman dari hujan, angin, hama dan penyakit tanaman, mengurangi intensitas radiasi matahari yang berlebihan, mengurangi penguapan air dari daun, dan juga untuk memudahkan dalam kegiatan perawatan tanaman. Hal ini sesuai dengan konsep rumah tanaman yang memanfaatkan umbrella effect yang diusulkan Rault (1988) dalam Suhardiyanto (2009) untuk daerah tropika basah seperti Indonesia.
Interaksi antara struktur rumah tanaman dengan parameter iklim di sekitar rumah tanaman menciptakan iklim mikro di dalam rumah tanaman yang berbeda dengan iklim di sekitar rumah tanaman. Peristiwa ini disebut greenhouse effect
atau efek rumah kaca. Menurut Bot (1983) dalam Suhardiyanto (2009) peristiwa
Gambar 1 Bentuk-bentuk atap rumah tanaman Tipe A : shed/lean to
Tipe B : gable/standard peak/even span greenhouse
Tipe C : flat
Tipe D : monitor
Tipe E : tunnel/quonset
Tipe F : sawtooth
Tipe G : arch
Tipe H : uneven arch
Tipe I : arch saw
Kontruksi rumah tanaman dengan penampang melintang flat (Gambar 1C) dan shed/lean to (Gambar 1A) banyak digunakan di kawasan beriklim subtropika untuk persemaian (Suhardiyanto 2009). Tipe sawtooth (Gambar 1F) merupakan modifikasi dari tipe shed/lean to dengan bentuk atapnya mirip dengan gigi gergaji. Bentuk arch (Gambar 1G) dikembangkan untuk menekan biaya kontruksi (Tiwari dan Goyal 1998). Biaya pembangunan untuk atap arch dapat ditekan menjadi 75% dibandingkan dengan bentuk atap peak. Tipe arch saw, uneven arch dan
tunnel/quonset merupakan modifikasi dari tipe arch. Tipe standard peak/gable/even span greenhouse (Gambar 1B) banyak digunakan di kawasan beriklim subtropika untuk memaksimalkan transmisi cahaya matahari. Tipe
modified standard peak/gable berkanopi (Gambar 1J) merupakan modifikasi dari tipe standard peak. Bentuk atap bukaannya memungkinkan terjadinya ventilasi alamiah, walaupun tidak ada angin. Tipe modified standard peak banyak digunakan di Indonesia karena sesuai dengan kondisi iklim Indonesia yang memiliki intensitas radiasi matahari dan curah hujan yang tinggi.
Faktor yang Mempengaruhi Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara
Radiasi Matahari
Dalam rumah tanaman, bahan dan struktur bangunan berpengaruh terhadap radiasi matahari yang ditransmisikan (Mastalerz 1977). Hal ini menentukan kondisi iklim mikro di dalam rumah tanaman antara lain seperti suhu udara, kelembaban udara, kecepatan angin, dan kadar karbondioksida di dalam rumah tanaman. Oleh karena itu dalam perancangan rumah tanaman, pemilihan struktur bangunan menjadi faktor penting.
Dalam perancangan rumah tanaman, sangat penting untuk memperhatikan kemiringan atap (Suhardiyanto 2009) dan tinggi dinding (Bot 1983). Radiasi matahari yang mengenai atap rumah tanaman akan membentuk sudut terhadap garis normal (Gambar 2). Besarnya sudut yang dihasilkan menentukan radiasi matahari yang ditransmisikan ke dalam rumah tanaman. Jika sudut yang dihasilkan mendekati garis normal atau mendekati 0o, maka besarnya radiasi matahari yang ditransmisikan semakin besar. Walls (1993) menyatakan bahwa penentuan sudut kemiringan atap rumah tanaman di kawasan yang beriklim subtropika harus mempertimbangkan sudut datang radiasi matahari. Pada Gambar 3 disajikan hubungan antara sudut yang dihasilkan dengan prosentase radiasi yang ditransmisikan.
Gambar 2 Sudut yang dibentuk oleh radiasi matahari dan atap penutup rumah tanaman
Bahan penyusun atap sangat menentukan kondisi termal rumah tanaman, sehingga pemilihan bahan atap harus mempertimbangkan karakteristik fisik, termal, dan optik (Suhardiyanto 2009). Menurut Nelson (1978) bahan yang umum digunakan sebagai atap rumah tanaman adalah glass, film plastic, dan rigid panel.
Perbedaan bahan tersebut mempengaruhi besarnya radiasi matahari yang ditransmisikan. Menurut Boodley (1996) faktor pemilihan bahan yang digunakan, menentukan prosentase cahaya matahari yang transmisikan. Selain itu, kerapatan dan konduktifitas bahan penyusun rumah tanaman juga berpengaruh dalam menciptakan kondisi termal di dalam rumah tanaman. Penelitian yang dilakukan oleh Holley et al. (1966) pada rumah tanaman dengan ukuran yang sama tetapi menggunakan bahan penutup atap yang berbeda menghasilkan kesimpulan bahwa bahan glass dan bard mampu mentransmisikan radiasi matahari paling tinggi daripada bahan frost white fiberglass, opaque PVC, crystal clear PVC yaitu sebesar 7108 g cal cm-2 atau 72.3%. Pada bahan frost white fiberglass yaitu 4975 g cal cm-2 atau 50.6%, Opaque PVC yaitu 4709 g cal cm-2 atau 47.9%, Crystal clear PVC yaitu 6117 g cal cm-2 atau 62.2%. Gambar 4 menyajikan ilustrasi pengaruh bahan penutup atap rumah tanaman dengan panjang gelombang dan transmisivitas radiasi matahari.
Gambar 4 Hubungan bahan atap, panjang gelombang, dan transmisivitas
Kecepatan Angin
Angin adalah udara yang bergerak karena perbedaan tekanan udara. Udara bergerak dari tempat yang bertekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah atau dari daerah yang memiliki suhu udara rendah ke daerah suhu udara tinggi (Esmay dan Dixon 1986). Angin yang menerpa rumah tanaman menyebabkan perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar rumah tanaman. Perbedaan tekanan di sekeliling rumah tanaman menyebabkan terjadinya aliran udara. Papadakis et al.
(1996) dalam Suhardiyanto (2009) menyatakan bahwa pada saat kecepatan angin di atas 1.8 m/s efek termal terhadap laju ventilasi dapat diabaikan. Jika kecepatan angin cukup tinggi maka perbedaan suhu udara di luar dan di dalam rumah tanaman menjadi kecil. Dalam mendistribusikan panas, faktor angin lebih dominan daripada faktor termal. Peristiwa ini dinamakan ventilasi akibat faktor angin.
Suhu Udara
Suhu udara adalah faktor penting bagi pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Suhu udara sangat ditentukan oleh radiasi matahari, pindah panas konveksi, laju evaporasi, intensitas radiasi matahari, kecepatan angin, dan arah angin. Suhu udara secara tidak langsung berpengaruh terhadap proses fisik, mekanik, kimia tanaman, dan selanjutnya akan mempengaruhi proses biologi pada pertumbuhan tanaman. Secara fisik, jika suhu udara terlalu tinggi atau terlalu rendah maka akan merusak stuktur tanaman baik itu struktur morfologi maupun fisiologi.
Kelembaban Udara
Kelembaban udara dinyatakan dalam kelembaban mutlak dan kelembaban relatif. Kelembaban relatif atau relative humidity adalah rasio antara tekanan uap air aktual pada suhu tertentu dengan tekanan uap air jenuh pada suhu tersebut. Faktor yang mempengaruhi kelembaban relatif adalah suhu udara di dalam rumah tanaman dan laju migrasi air dari tanaman atau tanah ke udara karena adanya perbedaan tekanan uap. Kelembaban yang terlalu rendah menyebabkan tanaman kehilangan air yang berlebihan dalam proses transpirasi. Kelembaban yang terlalu tinggi akan menyebabkan tumbuhnya organisme pengganggu tanaman seperti jamur dan lumut.
Computational Fluid Dynamics (CFD)
digunakan untuk analisis aliran fluida pada suatu bangunan dengan terlebih dahulu menyelesaikan persamaan-persamaan fluida yang mengatur aliran fluida.
Dalam bidang pertanian, penelitian dengan menggunakan CFD sudah banyak dilakukan sebelumnya, misalnya alat pengering (Nelwan et al. 2008). Penelitian menggunakan CFD terutama ditujukan untuk menganalisis dan mengetahui pola aliran serta distribusi suhu iklim mikro di dalam suatu bangunan atau material.
Proses CFD memiliki tiga tahapan pemrosesan yaitu prapemrosesan (preprocessor), pencarian solusi (solver), dan pascapemrosesan (postprocessor). Hasil dari analisis berupa visualisasi warna yang meliputi hasil dari geometri dan grid yang telah dibentuk, plot berdasarkan vector, plot berdasarkan kontur, dan
plot berdasarkan permukaan (dua dimensi atau tiga dimensi).
Elemen preprocessor terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya menjadi bentuk yang sesuai dengan pemecahan
solver. Input yang diberikan seperti penjelasan berikut ini. 1. Pendefinisian geometri dari daerah yang dianalisis. 2. Penentuan jenis aliran (eksternal atau internal).
3. Pemilihan fenomena fisik seperti kecepatan angin dan jenis material.
4. Penentuan sifat-sifat fluida seperti konduktifitas, panas jenis, massa jenis, dan kerapatan.
5. Penentuan mesh. 6. Penentuan domain.
7. Penentuan kondisi batas yang sesuai.
8. Penentuan goal atau keluaran yang ingin dicapai.
Pemecahan masalah aliran yang meliputi kecepatan, tekanan, maupun suhu udara dapat didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan dari hasil CFD dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid, sehingga secara umum semakin besar jumlah sel maka ketelitian hasil pemecahan akan semakin baik (Tuakia 2008).
Pencarian solusi atau solver merupakan salah satu bentuk pemecahan model persamaan dasar aliran fluida yang meliputi persamaan konversi massa atau kontinuitas, momentum, dan energi yang dilakukan menggunakan analisa numerik. Persamaan dasar aliran fluida yang berupa persamaan diferensiasi parsial ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar sederhana yang disebut dengan metode diskritisasi. Metode diskritisasi adalah proses transformasi persamaan diferensial parsial menjadi persamaan matematik yang lebih sederhana. Persamaan diskrit yang dihasilkan dari proses integrasi persamaan diferensial parsial pada volum kontrol berbentuk persamaan implisit, untuk menyelesaikan persamaan implisit yang terdiri dari persamaan individual diperlukan metode iterasi. Metode iterasi adalah membuat sebuah tebakan terhadap nilai variabel-variabel yang terdapat pada persamaan implisit. Proses iterasi terus menerus dilakukan sampai selisih antara ruas kiri dan ruas kanan persamaan (residual error) mencapai nilai tertentu yang mendekati nol atau dapat dinyatakan konvergen.
panas yang dihasilkan oleh distribusi suhu udara, vector, dan distribusi kecepatan angin berupa bentuk tampilan geometri domain dan grid, plot vector, tracking
partikel, manipulasi pandangan, dan output berwarna.
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Mei sampai dengan November 2013. Penelitian dilaksanakan pada rumah tanaman tipe modifiedstandard peak di Pusat Penelitian Sumberdaya Hayati dan Bioteknologi, Institut Pertanian Bogor, Dramaga, Bogor.
Bahan
Tipe rumah tanaman yang digunakan dalam penelitian ini adalah modified standard peak dengan bahan atap menggunakan solartuff flat. Ukuran rumah tanaman adalah (20 x 8 x 8) m. Kerangkanya menggunakan besi baja sedangkan dindingnya menggunakan kawat kasa.
Alat
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain adalah hybrid recorder merek Yokogawa, tipe NV 1000, digunakan untuk mencatat suhu pada titik-titik pengukuran dengan sensor thermocouple tipe TC, dan anemometer yang digunakan untuk mengukur kecepatan udara di dalam rumah tanaman.
Pyranometer digunakan untuk mengukur radiasi di dalam rumah tanaman. Stasiun cuaca (weather station) digunakan untuk mengukur parameter lingkungan di luar rumah tanaman yaitu radiasi matahari, kecepatan angin, dan suhu. Personal computer (PC) digunakan untuk proses simulasi menggunakan CFD.
Prosedur Penelitian
Pengumpulan Data Teknik
Dimensi rumah tanaman seperti luas dan tinggi bangunan, kemiringan atap, luas ventilasi, dan bahan penyusun rumah tanaman seperti atap, tiang, lantai, dinding dibutuhkan dalam pembuatan geometri rumah tanaman menggunakan
solidworks. Data mengenai rancangan rumah tanaman secara detail diperoleh dari Direktorat Fasilitas dan Properti, Institut Pertanian Bogor. Kerangka besi pada
Pengukuran Parameter Mikro
Parameter mikro yang diukur di dalam rumah tanaman adalah distribusi suhu udara. Suhu udara di dalam rumah tanaman dianggap sensitif terhadap perubahan panas.
Pengukuran suhu udara dilakukan menggunakan thermocouple. Ujung
thermocouple dilekatkan pada titik pengukuran yang dikehendaki kemudian ujung lainnya dihubungkan dengan hybrid recorder untuk merekam data yang terukur. Hasil pengukuran dari titik tersebut adalah titik pembanding yang akan digunakan untuk validasi hasil simulasi menggunakan CFD. Denah titik pengukuran suhu pada rumah tanaman dapat dilihat pada Lampiran 4.
Pengukuran parameter lainnya meliputi pengukuran kelembaban udara, radiasi matahari, dan kecepatan angin di dalam rumah tanaman dan di luar rumah tanaman. Weather station ditempatkan di tempat terbuka agar tidak terhalangi bangunan sekitar dengan jarak 20 m dari rumah tanaman. Pengambilan data
Pembuatan model rumah tanaman dilakukan berdasarkan data dimensi yang diperoleh dari Direktorat Fasilitas dan Properti IPB. Pembuatan model dilakukan menggunakan solidwork. Simulasi yang dilakukan sangat bergantung pada memori dan kecepatan processor komputer yang digunakan. Komputer yang digunakan adalah komputer dengan spesifikasi CPU intel®coreTMi7; 12GB RAM; dan 64-bit operating system (OS).
Pada rumah tanaman yang diteliti terdapat tanaman cabai setinggi 50 cm serta kelengkapan penanamannya seperti polybag dan ajir. Berikut ini merupakan asumsi yang digunakan dalam simulai CFD.
1. Udara bergerak dalam keadaan steadi. 2. Udara tidak terkompresi.
3. Panas jenis, konduktifitas, dan viskositas udara konstan. 4. Suhu udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi. 5. Kuda-kuda dalam rumah tanaman dianggap tidak ada.
6. Dinding rumah tanaman berupa kasa dianggap tidak berpengaruh pada kecepatan dan arah pergerakan udara.
7. Proses pengkabutan di dalam rumah tanaman dianggap tidak terjadi. Diagram Alir Penelitian
data di lapangan berupa bahan penyusun rumah tanaman. Penelitian dilanjutkan dengan pengukuran parameter mikro. Hasil pengukuran ini berupa nilai radiasi matahari, suhu udara, kecepatan angin, arah angin, dan kelembaban udara. Tahap terakhir adalah simulai CFD. Simulasi CDF terdapat tiga tahapan yaitu
preprosessor, solver, postprosessor. Tahap preprosessor diawali dari pembuatan geometri (part), pendefinisian material geometri, penyusunan struktur geometri, pengaturan kondisi umum, pengaturan boundary conditions, dan goal parameter.
Tahap solver diawali dari run, meshing, dan calculation. Tahap calculation
berlangsung sampai hasil konvergen. Jika belum konvergen maka akan kembali ke proses run. Jika hasil konvergen maka proses berlanjut ke tahap postprosessor. Tahap postprosessor berupa plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter.
Pengukuran Parameter Mikro
Persiapan alat Pengujian hybrid recorder, thermocouple,weather station,
anemometer, pyranometer, dan personal computer (PC)
Mempelajari permasalahan dan metode pada penelitian sebelumnya Tahapan pendahuluan
Persiapan alat Pengujian hybrid recorder,
Validasi Hasil Simulasi Suhu Udara
Validasi dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi suhu udara menggunakan CFD dengan hasil pengukuran pada titik-titik tertentu. Besarnya
error dalam validasi dihitung dengan rumus sebagai berikut:
Error (%) = x 100 % (1) Gambar 5 Diagram alir penelitian
Ya
Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter
Konvergen Tidak
Pembuatan geometri (part)
Pendefinisian material geometri
Penyusunan struktur geometri
Pengaturan kondisi umum
Pengaturan domain boundary conditions dan goal parameter
Run
Meshing
Calculation
Selesai
dimana p adalah nilai suhu udara hasil simulasi (oC) dan u adalah nilai suhu udara hasil pengukuran (oC).
Pengujian keabsahan dilakukan dengan garis regresi yang terbentuk dari hubungan linier antara hasil simulasi (y) dengan hasil pengukuran (x). Dimana a
menunjukkan perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menunjukkan kemiringan atau gradien garis regresi.
Prediksi suhu semakin baik jika nilai intersep (a) semakin mendekati nol dan gradiennya (b) mendekati satu.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Radiasi Matahari
Radiasi yang dipancarkan oleh matahari mempunyai gelombang pendek. Ketika masuk ke dalam rumah tanaman sebagian radiasi dipantulkan dan ditahan oleh atap rumah tanaman sehingga hanya sebagian yang ditransmisikan ke dalam rumah tanaman. Radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman diserap komponen rumah tanaman seperti lantai dan benda di dalam rumah tanaman termasuk tanaman dan tanah. Setelah diserap, kemudian radiasi tersebut diubah menjadi gelombang panjang. Gambar 7 adalah data hasil pengukuran perbedaan antara radiasi di dalam rumah tanaman dan di luar rumah tanaman.
0
Gambar 6 Grafik perbedaan radiasi matahari di dalam rumah tanaman dan di luar rumah tanaman pada tanggal 23 Mei 2013
Pada pukul 06.00–06.30 WIB terlihat bahwa radiasi di dalam rumah tanaman masih 0 W/m2, sedangkan ketika pukul 07.00 WIB sudah terbaca besarnya radiasi matahari yaitu sebesar 8 W/m2. Radiasi matahari di luar rumah tanaman pada pukul 06.00 WIB belum terbaca, sedangkan pada pukul 07.00 sudah terbaca yaitu sebesar 49 W/m2. Radiasi matahari berfluktuasi tetapi terus meningkat sampai puncaknya pada pukul 12.00 WIB yaitu sebesar 838 W/m2 di luar rumah tanaman dan 232 W/m2 di dalam rumah tanaman. Pada pukul 12.00 WIB radiasi matahari mulai menurun sampai terhenti pada pukul 17.30 WIB yaitu sebesar 0 W/m2.
Faktor yang mempengaruhi radiasi matahari secara umum adalah garis lintang. Menurut Mastalerz (1977) faktor yang mempengaruhi tinggi rendahnya radiasi matahari dalam rumah tanaman adalah posisi atau kedudukan matahari yang selalu beruba–ubah selama setahun, lokasi rumah tanaman, dan faktor awan. Pada penelitian ini yang paling dominan adalah faktor awan yang cenderung menutupi langit sehingga radiasi matahari terhalang. Selain itu beberapa tanaman yang ada di sekitar rumah tanaman juga berpengaruh terhadap besarnya radiasi matahari yang diterima oleh lantai rumah tanaman.
Bahan penutup rumah tanaman juga menjadi faktor utama. Bahan penutup rumah tanaman adalah rigid panel yang terbuat dari polikarbonat. Polikarbonat (PC) bersifat tahan terhadap tekanan, mudah digunakan, dan ringan.
photosynthetically active radiation (PAR) merupakan cahaya yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan fotosintesis bagi tanaman. PAR memiliki panjang gelombang 400–700 nanometer. PC dapat mentransmisikan PAR 79% untuk penggunaan dua lapis dan 87% untuk penggunaan satu lapis (Suhardiyanto 2009). Menurut Tiwari et al. (1998) penggunaan polikarbonat sebagai atap rumah tanaman dapat mentrasmisikan radiasi matahari sebesar 77%. Bahan yang digunakan untuk atap tanaman mempengaruhi besarnya radiasi matahari yang ditransmisikan seperti yang dijelaskan pada Tabel 1 dan Gambar 3.
Suhu Udara
Kenaikan suhu udara di dalam rumah tanaman disebabkan karena peristiwa
greenhouse effect. Menurut Bot (1983) dalam Suhardiyanto (2009) greenhouse effect disebabkan oleh dua hal yaitu pergerakan udara di dalam rumah tanaman yang relatif sangat sedikit atau cenderung stagnan dan radiasi gelombang panjang yang tidak dapat keluar dalam rumah tanaman dan terperangkap di dalamnya, sehingga menyebabkan suhu udara di dalam rumah tanaman semakin meningkat.
Struktur rumah tanaman yang tertutup berpengaruh besar terhadap peningkatan suhu di dalam rumah tanaman (Nelson 1978). Hal ini akibat dari pengaruh radiasi gelombang panjang yang terperangkap di dalam rumah tanaman, sehingga suhu udara di dalamnya meningkat. Dinding terbuat dari kasa kawat dengan mesh 0.042 cm. Kondisi yang tertutup ini juga menyebabkan faktor angin sebagai ventilasi alamiah terhalang sehingga sulit terjadi pertukaran udara yang dapat menurunkan suhu udara di dalam rumah tanaman. Selain struktur yang tertutup, bahan yang digunakan dalam penyusunan rumah tanaman juga berpengaruh. Semakin tinggi nilai konduktifitas dan kerapatan bahan yang dipakai sebagai komponen maka suhu udara di dalam rumah tanaman semakin tinggi. Rumah tanaman yang diteliti atapnya berbahan polikarbonat, lantai beton, dinding kasa kawat, dan tiang pondasi dari besi baja. Polikarbonat memiliki kerapatan 1200 kg/m3 dan konduktifitas panas sebesar 0.21 W/mK. Lantai terbuat dari
concrete dengan kerapatan 2000 kg/m3 dan konduktifitas panas 1.13 W/mK.
Concrete merupakan campuran antara kerikil (aggregates), semen dan air.
Concrete memiliki porositas yang baik untuk lantai rumah tanaman (Tiwari et al.
1998).
Pada Gambar 7 dan 8, nilai radiasi matahari dan suhu udara yang terukur di dalam rumah tanaman berbanding terbalik. Radiasi matahari di dalam rumah tanaman lebih rendah daripada di luar rumah tanaman, sedangkan suhu udara di dalam rumah tanaman lebih tinggi daripada di luar rumah tanaman. Hal ini disebabkan radiasi yang masuk ke dalam rumah tanaman diserap oleh lantai, kemudian lantai memancarkan radiasi gelombang panjang. Karena rendahnya aliran udara di dalam rumah tanaman, maka radiasi tersebut tertahan di dalam rumah tanaman, sehingga membuat suhu udara di dalam rumah tanaman menjadi lebih tinggi.
06.00 06.30 07.00 07.30 08.00 08.30 09.00 09.30 10.00 10.30 11.00 11.30 12.00 12.30 13.00 13.30 14.00 14.30 15.00 15.30 16.00 16.30 17.00 17.30 18.00
S
Gambar 7 Grafik perbedaan suhu udara di dalam rumah tanaman dan di luar pada tanggal 23 Mei 2013
Simulasi CFD
Preprosessor
Pembuatan Geometri Rumah Tanaman
Geometri rumah tanaman dibuat berdasarkan data yang diperoleh dari Direktorat Fasilitas dan Properti IPB. Pada rancangan yang dibuat, kerangka tidak dibuat terlalu detail karena hal itu hanya berpengaruh kecil terhadap perpindahan panas. Setelah geometri siap disimulasikan, selanjut dipilih flow simulation,
wizard dan memasukkan data kondisi awal rumah tanaman. Data kondisi awal di dalam rumah tanaman pada tanggal 24 Mei 2013 dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Input kondisi awal simulasi rumah tanaman
Input Kasus 1 Kasus 2
Pada langkah ini terdapat empat tahapan yaitu menentukan tipe analisis, jenis fluida, jenis material, dan kondisi batas secara umum. Gambar 9 dan 10 menunjukkan masukan untuk pilihan tipe analisis.
Tipe aliran yang dipakai adalah eksternal karena kasus ini dipengaruhi oleh lingkungan eksternal. Input yang dipilih adalah suhu lingkungan, radiasi matahari, konduktifitas bahan, dan nilai gravitasi. Penelitian ini dilakukan di Dramaga, Bogor dengan latitute 06o20’ dan waktu dilaksanakan penelitian (Gambar 10). Radiasi 0 W/m2, karena dilakukan pada saat radiasi minimum. Radiasi bernilai 0, karena pengukuran dilakukan pada pukul 18.00 WIB. Gravitasi bernilai negatif karena searah dengan gravitasi bumi dan berlawanan dengan gaya normal (Gambar 11).
Jenis fluida yang dianalisis adalah udara dengan tipe aliran laminer dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara (Gambar 11). Jenis solid material yang dipakai adalah concrete yaitu untuk lantai, tembok, dan pondasi (Gambar 12). Pada pengaturan kondisi batas nilai kekasaran (roughness) ditentukan sebesar 0 µm dan dipilih default wall radiative surface adalah
solid yang sudah dipilih pada tahap pemilihan solid material. Pada kasus 1 dan 2 tidak terdefinisi kecepatan angin sehingga kecepatan anginnya nol.
Gambar 8 Pengaturan tipe analisis pertama pada kasus 1
Gambar 10 Pengaturan jenis fluida dan tipe aliran yang dianalisis pada kasus 1
Pengaturan Mesh dan Pendefinisian Material Rumah Tanaman
Pengaturan mesh yang dipilih adalah level 3. Pengaturan mesh
mempengaruhi jumlah sel dalam grid. Semakin tinggi level yang dipilih maka semakin banyak jumlah sel dalam satu grid, sehingga semakin besar jumlah sel maka ketelitian hasil pemecahan semakin baik (Tuakia 2008).
Atap, lantai, dinding, dan rangka adalah bagian-bagian yang didefinisikan jenis materialnya. Bagian ini mempunyai pengaruh besar dalam proses pindah panas maupun pola aliran udara. Pendefinisian material dibedakan menjadi dua yaitu media solid dan media poros. Atap, lantai, dan rangka adalah media solid. Atap didefinisikan sebagai PC (polycarbonate), lantai sebagai beton (concrete), dan rangka sebagai baja ringan (steell. mild) (Lampiran 3). Dinding sebagai poros media terbuat dari insectscreenhouse. Data sifat bahan tentang polycarbonate,
concrete, dan steel mild dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Sifat bahan polycarbonate, concrete, dan steel mild
Sifat bahan Satuan Polycarbonatea Concreteb Steel Milda
Kerapatan kg/m3 1200 2000 7.833
Panas jenis J/kg oC 1300 1000 45.300
Konduktifitas panas W/m oC 0.209 1130 0.502 Tipe konduktifitas - Isotropik Isotropik Isotropik
Melting temperature
o
C 630 1000 1410
Pengaturan Boundary Conditions
Atap dan lantai merupakan komponen rumah tanaman yang menjadi sumber panas paling besar, sehingga kondisi batas (reel wall) yang ditetapkan hanya meliputi permukaan lantai dan atap. Penentuan permukaan disesuaikan dengan kondisi batas kritis lingkungan. Bagian kanan rumah tanaman ternaungi pepohonan sehingga pengukuran dilakukan pembagian sisi permukaan kanan dan kiri ruangan. Hal ini ditujukan untuk melihat perbedaan antara bagian yang ternaungi dan yang tidak ternaungi. Pada lantai diukur dua permukaan, yaitu bagian kiri dan kanan. Atap diukur pada atap bagian depan dan belakang. Hal ini terjadi karena pada bagian belakang ternaungi pepohonan. Gambar berikut adalah titik untuk pemilihan boundary conditions.
a
Tabel 3 Titik boundary conditions
Titik X(m) Y(m) Z(m) Suhu udara (
o
C) Tipe boundary
conditions Keterangan
Kasus 1 Kasus 2
1 2.28 -1.70 4.40 31.50 35.0 Real wall Lantai 2 -1.50 -1.70 4.40 30.80 33.00 Real wall Lantai 3 3.40 2.90 2.33 25.70 39.00 Real wall Atap 4 1.50 5.32 2.33 26.10 36.60 Real wall Atap 5 -0.25 5.34 2.33 26.10 41.30 Real wall Atap 6 -2.10 2.95 2.33 26.80 30.60 Real wall Atap 7 3.40 2.90 -11.10 25.50 39.90 Real wall Atap 8 1.50 5.32 -11.10 25.50 35.30 Real wall Atap 9 -0.25 5.34 -11.10 26.00 37.70 Real wall Atap 10 -2.10 2.95 -11.10 25.90 28.30 Real wall Atap
Pengaturan Tujuan (Goal)
Pengaturan tujuan atau Goal dari simulasi adalah suhu udara global, kecepatan udara global, dan kerapatan udara. Kecepatan digunakan untuk mengetahui pola aliran udara di dalam rumah tanaman. Kerapatan udara digunakan sebagai pembanding nilai antara suhu dan dan kecepatan udara.
Pencarian Solusi (Solver)
Pada tahap solver terdapat langkah-langkah running, meshing, calculation,
dan bagian konvergenitas. Pada proses ini ditampilkan grafik yang menunjukkan konvergenitas residual variation. Proses perhitungan menghasilkan residual yang menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya. Jika proses iterasi terus berjalan maka solusi diperoleh. Proses iterasi berhenti ketika kondisi konvergen tercapai. Pascapemrosesan (Postprocessor)
Tahap ini merupakan kegiatan pengambilan bentuk keluaran data yang diinginkan dari hasil simulasi CFD. Pada penelitian ini data yang ditampilkan adalah berupa tampilan dan bentuk kontur dari suhu udara, kecepatan udara, dan kerapatan udara.
Hasil Simulasi
Distribusi Suhu Udara
Simulasi dilakukan untuk memprediksi pola aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Pengukuran ini dilakukan pada saat rumah tanaman menerima radiasi matahari 0 W/m2 dan 520 W/m2 yaitu pada pukul 18.00 WIB dan 09.00 WIB. Gambar di bawah ini menyajikan distribusi suhu udara dari hasil simulasi CFD pada saat radiasi matahari 0 W/m2 (Gambar 16) dan 520 W/m2 (Gambar 17).
Simulai yang dilakukan pada dua kasus yang berbeda, menampilkan hasil yang berbeda. Pada radiasi matahari 0 W/m2 suhu udara yang tergambar berkisar antara 27oC–30oC. Suhu udara paling tinggi terdapat pada permukaan lantai dan daerah sekitar atap berkisar 29.67oC–30oC. Lantai terbuat dari bahan concrete
yang dapat memantulkan panas lebih besar daripada tanah, sehingga suhu udara di sekitar lantai lebih tinggi. Lantai adalah bagian yang paling dominan memancarkan radiasi gelombang panjang yaitu radiasi yang membuat suhu udara di dalam rumah tanaman menjadi lebih tinggi.
mendapat radiasi matahari maksimum pada pukul 18.00 WIB, sedangkan daerah yang lain ternaungi pepohonan. Pada kasus 1 tidak terdefinisi adanya kecepatan angin sehingga proses pindah panas terjadi secara alamiah yaitu karena pengaruh perbedaan kerapatan udara.
Pada kasus 2 diukur pada saat radiasi matahari maksimum yaitu 520 W/m2. Suhu yang terjadi di dalam rumah tanaman berkisar 30oC–40oC. Suhu tertinggi pada daerah atap yaitu 40oC. Pada Gambar 17 terlihat pula terjadinya chimney effect. Pada kasus ini terlihat atap berpengaruh lebih besar daripada lantai. Hal ini disebabkan pada pukul 09.00 WIB radiasi yang masuk ke dalam rumah tanaman sebatas di daerah atap, sehingga terlihat radiasi gelombang panjang yang dihasilkan atap lebih dominan.
Gambar 15 Distribusi suhu udara pada saat radiasi 0 W/m2. (a) tampak depan, (b) tampak samping
a
Pola Aliran Udara di Dalam Rumah Tanaman
Pergerakan udara di dalam rumah tanaman cenderung stagnan, karena strukturnya tertutup. Pergerakan udara di dalam rumah tanaman umumnya terjadi karena perbedaan kerapatan udara. Faktor angin dapat membantu mendistribusikan panas di dalam rumah tanaman. Gambar 18 dan 19 menyajikan gambaran pola aliran udara yang terjadi saat kondisi radiasi 0 W/m2 dan 520 W/m2.
Pada dasarnya udara bergerak karena perbedaan tekanan udara. Udara bergerak dari tekanan udara tinggi ke tekanan udara rendah. Pada kasus 1, terlihat pada Gambar 16 suhu udara di dalam rumah tanaman lebih tinggi daripada suhu udara di luar rumah tanaman. Hal ini mengakibatkan kerapatan di dalam rumah tanaman lebih rendah daripada di luar rumah tanaman. Semakin tinggi kerapatan udara mengakibatkan tekanan udara semakin tinggi. Gambar 18 menunjukkan bahwa udara bergerak dari luar rumah tanaman ke dalam rumah tanaman. Pada kasus 1 tidak terdefinisi adanya faktor angin, sehingga pola aliran udara yang tergambar karena pengaruh faktor thermal. Berdasarkan hasil simulasi, kecepatan udara yang terdefinisi sangat kecil yaitu antara 0 m/s sampai dengan 2.181 x 10-4
Gambar 16 Distribusi suhu udara pada saat radiasi 520 W/m2. (a) tampak depan, (b) tampak samping
a
m/s. Pergerakan udara hanya tampak jelas pada bagian depan rumah tanaman, sedangkan pada bagian belakang tidak terdefinisi. Hal ini karena perbedaan suhu yang jelas antara bagian depan dan bagian belakang. Bagian depan rumah tanaman tidak ternaungi oleh pohon sedangkan pada bagian belakang masih ternaungi pohon. Secara umum rumah tanaman yang diamati ternaungi pohon pada bagian belakang (utara) dan samping kiri (barat). Faktor tersebut yang membuat pada gambar memperlihatkan bahwa aliran udara datang dari arah samping kanan (timur) dan akan keluar melalui ventilasi pada kanopi.
Pada kasus 2 juga tidak terdefinisi angin. Pergerakan udara disebabkan oleh faktor thermal. Menurut Suhardiyanto (2009) Pergerakan udara karena faktor
thermal disebabkan adanya perbedaan kerapatan udara. Suhu udara di dalam rumah tanaman lebih tinggi daripada suhu udara di luar rumah tanaman, sehingga kerapatan udara di dalam rumah tanaman lebih rendah. Udara akan bergerak dari daerah yang berkerapatan udara tinggi ke daerah yang berkerapatan rendah, sehingga udara luar akan masuk ke dalam rumah tanaman. Pada kasus 2 kecepatan udaranya lebih tinggi daripada kasus 1 yaitu maksimum 8.889 x 10-4 m/s dan Gambar 17 Pola aliran udara pada saat radiasi matahari 0 W/m2. (a) tampak depan, (b) tampak samping
a
pada kasus 1 maksimum sebesar 2.181 x 10-4 m/s. Hal ini disebabkan suhu udara di dalam rumah tanaman pada kasus 2 lebih tinggi daripada pada kasus 1. Pada kasus 2 suhu udaranya terdefinisi 30oC-33oC, sedangkan pada kasus 1 hanya terdefinisi sebesar 28oC-30oC, sehingga semakin tinggi perbedaan suhu udara antara lingkungan di dalam dan di luar rumah tanaman maka aliran udaranya akan semakin cepat.
Validasi
Metode validasi yang digunakan ada dua cara yaitu dengan menghitung nilai eror dan regresi linier. Validasi bertujuan untuk menghitung ketepatan antara suhu udara hasil pengukuran dengan hasil simulasi rancangan. Validasi dilakukan pada dua kasus yaitu pada saat radiasi matahari bernilai 0 W/m2 dan 520 W/m2. Validasi pada saat radiasi 0 W/m2 nilainya berkisar 90.7%-100.0% dan nilai erornya tidak lebih dari 9.3%. Pada saat radiasi 520 W/m2 nilai validasinya berkisar 90.4%-100.0% dengan nilai eror tidak lebih dari 9.6% sehingga dapat disimpulkan akurat. Nilai eror berbanding terbalik dengan nilai validasi, semakin tinggi nilai eror maka nilai validasi akan semakin besar dan sebaliknya. Nilai
Gambar 18 Pola aliran udara saat radiasi matahari 520 W/m2. (a) tampak depan, (b) tampak samping
b
perbedaan antara suhu pengukuran dan suhu hasil simulasi dianggap mutlak untuk memudahkan dalam perhitungan validasi. Nilai validasi menunjukkan ketepatan model, sehingga semakin tinggi nilai validasi dan semakin rendah nilai eror maka semakin baik model yang dibuat.
Metode kedua adalah dengan menggunakan regresi linier. Simulasi dilakukan dengan menghubungkan antara suhu pengukuran dan suhu hasil simulasi menggunakan grafik. Grafik menunjukkan hubungan linier. Gambar 20 menunjukkan grafik hubungan antara suhu udara hasil pengukuran dan hasil simulasi. Grafik memiliki nilai a dan b masing-masing sebesar 1.8707 dan 0.952. Hasil validasi dapat dikatakan semakin baik karena memiliki nilai intersep a
mendekati 0 dan nilai b mendekati 1. Nilai keseragaman (R2) cukup baik karena memiliki nilai 0.887 atau 88.70%.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Radiasi matahari terus meningkat secara fluktuatif sampai batas tertentu pada pukul 12.00 WIB yaitu sebesar 838 W/m2 di luar rumah tanaman dan 232 W/m2 di dalam rumah tanaman. Suhu udara di dalam rumah tanaman lebih besar daripada di luar tanaman. Hal ini karena terjadi greenhouse effect. Suhu udara tertinggi pada daerah sekitar atap dan lantai. Distribusi suhu bergerak dari lantai
y = 0,952x + 1,8707
menuju ke bagian atap di dalam rumah tanaman. Pola aliran udara bergerak dari luar rumah tanaman ke dalam rumah tanaman. Hal ini sesuai dengan yang dinyatakan oleh Suhardiyanto (2009) bahwa dalam rumah tanaman terjadi
bouyancy effect dan chimney effect.
Hasil simulasi dapat dikatakan valid terhadap hasil pengukuran. Dari dua metode pengukuran, nilai validasinya lebih dari 90% dan nilai erornya tidak lebih dari 10%. Metode grafik dinyatakan dalam persamaan y = a + bx dan nilai keseragaman (R2). Nilai intersepsi a dan b adalah 1.8707 dan 0.952. Nilai keseragamannya adalah 0.887 atau 88.70%. Hasil validasi dikatakan baik karena nilai a mendekati 0 dan nilai b mendekati 1, sementara nilai keseragaman sendiri mendekati 100%.
Saran
Pemakaian thermocouple harus dikalibrasi dengan termometer standar, sebab setiap thermocouple memiliki sensitifitas yang berbeda. Waktu pengukuran sebaiknya seringkali melihat hybrid recorder untuk memastikan tidak ada
thermocouple yang eror. Aplikasi rumah tanaman ini sangat cocok untuk tanaman yang sedikit memerlukan cahaya matahari.
DAFTAR PUSTAKA
Boodley J. 1996. The Commersial Greenhouse. Washington DC (US). Delmar. [BSN] Badan Standarisasi Nasional. 2010. Bangunan Pertanian-Syarat Mutu
Rumah Tanaman. Jakarta (ID): Standar Nasional Indonesia (SNI).
Cengel YA. 2003. Heat Transfer : A Practical Approach Second Edition. New York (US): Mc Graw Hill.
Esmay Ml, Dixon JE. 1986. Environment Control for Agricultural Buildings. Connecticut (US): AVI.
Fuadah N. 2012. Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Hanan JJ, Holley WD, Goldsberry KL. 1978. Greenhouse Management. Berlin (DE): Springer-Verlag.
Mastalerz JW. 1977. The Greenhouse Environment. New York (US): John Wiley & Sons.
Nelson PV. 1978. Greenhouse: Operation and Management. Virginia (CA): Reston.
Nelwan LO, Dyah W, Raffi P, Teguh WW, Lilik TM, Deni H. 2008. Rancang Bangun Alat Pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid dan In-store Dryer (ISD) Terintegrasi untuk Biji-bijian. Bogor (ID): Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat IPB (LPPM IPB).
Suhardiyanto H. 2009. Teknologi Rumah Tanaman untuk Iklim Tropika Basah. Bogor (ID): IPB Pr.
Tuakia F. 2008. Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung (ID): Informatika Bandung.
Titik X (m) Y(m) Z(m) Suhu udara (
a
b
Pukul (WIB)
Titik suhu udara pengukuran (oC)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 06.00 22.5 23.1 22.4 22.6 22.7 22.5 25.5 22.2 22.5 22.9 22.8 22.5 06.30 23.3 23.5 26.7 23.3 23.6 23.3 25.9 23.4 24.5 23.4 23.2 23.3 07.00 25.2 24.8 23.7 28.1 24.1 26.1 26.6 27.8 27.6 24.3 23.3 23.5 07.30 30.4 27.8 27.2 28.0 25.7 28.2 28.3 27.7 29.3 26.4 24.7 25.3 08.00 34.9 31.8 31.1 30.6 30.3 30.0 29.2 31.9 28.8 29.1 27.3 28.1 08.30 31.7 28.1 31.4 32.9 30.9 30.1 30.6 32.3 29.4 29.8 29.2 30.3 09.00 32.9 31.2 32.3 31.8 31.7 31.2 31.7 34.7 29.4 31.8 29.1 32.1 09.30 32.9 31.5 33.2 32.2 30.7 31.8 33.2 34.4 30.0 34.1 31.5 32.3 10.00 34.7 31.4 34.3 32.3 31.6 32.4 35.0 32.4 31.5 36.3 31.7 32.5 10.30 35.0 30.5 33.3 33.9 33.4 33.8 37.7 33.0 32.7 35.6 31.9 33.6 11.00 36.3 35.6 35.1 34.6 32.9 34.1 36.5 33.0 33.4 36.4 33.6 35.1 11.30 36.1 31.9 35.2 35.8 34.6 33.8 38.8 34.0 33.4 35.4 32.4 35.3 12.00 35.2 34.3 35.6 34.3 34.3 34.7 38.4 34.5 33.9 36.6 33.8 36.0 12.30 35.2 34.2 36.3 35.4 34.2 36.1 39.1 34.5 35.0 37.8 34.0 37.0 13.00 34.8 33.3 36.0 35.8 34.6 36.7 38.4 34.5 35.0 38.8 34.5 37.4 13.30 32.3 32.1 34.0 33.7 33.6 34.3 37.4 34.5 33.3 34.7 32.9 34.8 14.00 33.2 33.0 33.9 33.4 33.2 34.0 36.5 34.5 33.9 36.1 32.7 34.9 14.30 31.9 32.4 33.2 33.4 32.6 33.8 34.9 34.5 33.8 35.8 33.6 36.7 15.00 31.8 32.0 32.6 33.1 32.5 32.8 34.6 32.9 32.5 32.7 32.6 33.5 15.30 31.8 31.8 32.3 32.7 32.4 32.2 34.3 32.9 32.1 32.4 31.9 32.7 16.00 32.1 31.6 32.0 32.1 31.9 32.1 33.7 32.9 31.8 32.2 31.6 32.1 16.30 30.3 30.6 31.0 31.4 30.8 30.9 33.3 32.9 30.7 30.9 30.4 31.1 17.00 31.0 30.2 30.5 30.4 30.1 30.3 32.5 30.3 30.1 30.2 29.9 30.4 17.30 29.1 29.3 29.0 29.2 28.9 28.9 31.7 28.8 28.8 28.9 28.6 29.2 18.00 28.0 28.4 28.0 28.1 27.9 27.9 30.6 27.7 27.8 28.1 27.8 28.0
Pukul (WIB)
Titik suhu udara pengukuran (oC)
Pukul (WIB)
Titik suhu udara pengukuran (oC)
Lampiran 7 Struktur rumah tanaman tampak depan
Lampiran 8 Struktur rumah tanaman tampak samping
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tegal, Jawa tengah pada tanggal 18 Agustus 1990. Penulis adalah putra kedua dari dua bersaudara pasangan Tarhadi dan Titah. Penulis menjalani pendidikan dasar di SD Negeri Kepandean 1, Tegal dan pendidikan sekolah menengah pertama di SMP Negeri Dukuhturi 1, Tegal. kemudian melanjutkan pendidikan menengah atas di SMA Negeri 2 Tegal. Pada tahun 2009 penulis diterima di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
