1 SIMULASI POLA ALIRAN UDARA DAN DISTRIBUSI SUHU
PADA KANDANG CLOSED HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Oleh :
HASBI MUBAROK SUUD F 14050514
2009
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
Simulation of Airflow Pattern and Temperature Distribution at Closed House System Chicken House Using Computational Fluid Dynamics
Hasbi Mubarok Suud and Kudang Boro Seminar* *lecture of department agricultural engineering IPB
ABSTRACT
CFD is a problem solving approach from continuum equation (infinite element) to be a discrete equation (finite element). Velocity of exhaust fan, temperature of curtain that covered the chicken house, temperature of wall, temperature of roof, and temperature of ceiling are used for input data in simulation. All measurement to get data had been done at May 30th 2009 and the data was used for simulation is data at 13.00. For measurement validation, data of velocity, temperature, and relative humidity was measured in validation coordinate point that defined at chicken house. Simulation is internal flow simulation so that the computational domain is model geometry of the chicken house. Output of this simulation is a data that pointed out in cut plot contour and vector of velocity, temperature, and relative humidity.
The result of simulation is showed velocity airflow profile that increases at inlet area because of air collision from two air inlet. The temperature distribution tended to increase at outlet area because of heat accumulation from heat convection of chicken. The convection is caused by air flow to exhaust fan. From the simulation, was result that average temperature is 33,53oC and average velocity is 2,28 m/s.
Simulation validation is included measurement validation by compare actual data from measurement with data from simulation and mesh validation to assured that the simulation is appropriate. Measurement validation is done by calculate SEP (standard error prediction), CV (coefficient of variation), refraction value, and ADP (average percentage of prediction). Validation result for temperature is good enough because SEP value is 1,653 and CV is 4,99% that fulfill for SEP criteria that less than 4 and CV criteria that less than 5%. Validation result for air flow velocity is not good enough because the CV value is 15,28% more than 5%.
Through simulation result and measurement showed that air flow pattern at the chicken house is good enough because they can to distribute evenly the air velocity at chicken’s habitat so the growth up for all chicken in the chicken house can be same relatively. The regulation for population density of chicken in the chicken house was good enough by decreasing chicken population at outlet area because there is heat accumulation at outlet area. Temperature effective of chicken when the measurement and simulation was done is around 25oC and is still good for poultry.
i
Hasbi Mubarok Suud. F141050514.Simulasi Pola Aliran Udara dan Distribusi Suhu Pada Kandang Closed house Menggunakan Computational fluid dynamics. Di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M. Sc.
RINGKASAN
Usaha pembesaran peternakan ayam broiler sudah banyak dilaksanakan di Indonesia baik dalam skala, sedang bahkan dalam skala besar yang dilakukan oleh perusahaan. Dalam usaha pembesaran ayam broiler tersebut, suhu merupakan faktor yang krusial dalam pembesaran ayam di wilayah beriklim tropis. Kandang
closed house merupakan suatu sistem yang menawarkan solusi untuk memberikan kondisi yang sesuai untuk produksi ayam broiler. Didalam penelitian ini dikaji pola aliran udara, distribusi suhu dan kelembaban udara pada kandang closed house menggunakan computational fluid dynamic (CFD) dan hubungannya dengan kenyamanan thermal ayam.
CFD merupakan pendekatan pemecahan permasalahan dari persamaan kontinum (sel tak hingga) menjadi suatu persamaan yang diskret (sel hingga). Data kecepatan angin exhaust fan, suhu terpal penutup kandang, suhu dinding, suhu lantai, dan suhu atap digunakan sebagai data masukan. Pengukuran dilakukan tanggal 30 mei 2009 dan dipilih data pada pukul 13:00. Sebagai validasi pengukuran dilakukan pengukuran suhu, kecepatan udara, dan kelembaban relatif pada titik validasi di area dalam kandang. Simulasi merupakan simulasi internal flow sehingga batas computational domain nya adalah area geometri model kandang. Keluaran dari simulasi ini berupa data, potongan kontur dan vektor parameter kecepatan udara, suhu, dan kelembaban relatif.
Hasil simulasi menggambarkan profil aliran udara yang meningkat di daerah inlet karena ada pertemuan dua aliran udara dari dua inlet kandang. Distribusi suhunya cenderung meningkat pada daerah outlet kandang akibat ada akumulasi panas dari konveksi ayam yang disebabkan hembusan aliran udara menuju outlet. Dari hasil simulasi didapatkan nilai suhu rata-rata pada kandang adalah 33,53oC dan nilai kecepatan udara rata-rata adalah 2,28 m/s.
Validasi dilakukan meliputi validasi pengukuran dengan membandingkan data aktual pengukuran dan simulasi dan validasi mesh. Validasi pengukuran dilakukan dengan menghitung SEP (standart error prediction), CV (coefficient of variation), bias, dan ADP (average precentage of prediction). Validasi pengukuran untuk suhu cukup baik nilainya karena Untuk parameter nilai SEP nya sebesar 1,653, CV sebesar 4,99% memenuhi kriteria SEP kurang dari 4 dan CV kurang dari 5%. Validasi kecepatan angin tidak cukup baik nilainya karena CV nya sebesar 15,28% lebih besar dari 5%.
Melalui hasil simulasi dan pengukuran menunjukkan profil aliran udara yang ada dalam kandang closed house cukup baik karena dapat meratakan kecepatan udara pada daerah habitat ayam sehingga pertumbuhan ayam diharapkan dapat merata. Pengaturan kepadatan ayam pada kandang sudah cukup baik dengan mengurangi kepadatan ayam di area outlet karena adanya akumulasi panas pada area outlet. Suhu efektif ayam ketika pengukuran dan simulasi dilakukan sekitar 25oC masih dalam selang temperatur ideal untuk unggas.
1 SIMULASI POLA ALIRAN UDARA DAN DISTRIBUSI SUHU
PADA KANDANG CLOSED HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar
SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian,
Institut Pertanian Bogor.
Oleh :
HASBI MUBAROK SUUD F 14050514
2009
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
i
Judul Skripsi : Simulasi Pola Aliran Udara dan Distribusi Suhu Pada Kandang Closed house Menggunakan Computational Fluid Dynamics
Nama : Hasbi Mubarok Suud
NIM : F14050514
Menyetujui Dosen Pembimbing,
Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc NIP : 19591118 198503 1 004
Mengetahui: Ketua Departemen,
Dr. Ir. Desrial, M.Eng NIP : 19661201 199103 1 004
ii RIWAYAT HIDUP
Penulis adalah putra pertama dari dua bersaudara pasangan Suud Asy’ari dan Sa’adah Mashud. Dilahirkan di Bangkalan, Madura Jawa Timur pada 19 Juli 1987. Penulis menamatkan pendidikan dasar di SDN Margorejo III Surabaya, lalu dilanjutkan ke jenjang pendidikan menengah di SMPN 13 Surabaya. Pada tahun 2002 penulis masuk di SMAN 2 Surabaya dan lulus pada tahun 2005. Pada tahun yang sama, penulis diterima sebagai mahasiswa Tingkat Persiapan Bersama Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Baru pada tahun 2006 penulis resmi diterima sebagai mahasiswa Departemen Teknik Pertanian IPB.
Pada masa perkuliahan penulis tertarik pada bidang jurnalistik sehingga pernah aktif sebagai wartawan koran kampus IPB pada tahun 2005-2006 dan sempat mengikuti beberapa kegiatan pelatihan jurnalistik yang diadakan oleh media masa. Selain itu penulis juga merupakan anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) dan Himpunan Mahasiswa Surabaya (HIMASURYA) yang merupakan Organisasi Mahasiswa Daerah (OMDA) di IPB.
Penulis pernah melakukan praktek lapangan dengan judul “Mempelajari Aspek Keteknikan Pertanian Pada Produksi Gula Di PTPN XI PG. Toelangan, Sidoarjo, Jawa Timur” pada tahun 2008.
iii KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, Segala puja dan puji syukur penulis panjatkan hanya ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat serta hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Skripsi ini berdasarkan hasil penelitian yang dilaksanakan mulai bulan april hingga november 2009 dengan judul “Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Pada Kandang Closed House
menggunakan computational fluid dynamics”. Dengan penuh kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir Kudang Boro Seminar, M.sc selaku dosen pembimbing untuk semua ilmu, bimbingan, arahan, kritikan, saran dan masukan baik dalam masalah akademik maupun agama yang telah diberikan selama ini. 2. Ibu Ir. Sri Endah Agustina, Ms selaku dosen penguji yang telah
memberikan banyak saran dan masukan bagi penulis.
3. Bapak Ir Mad Yamin, MT selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran dan masukan bagi penulis.
4. Bapak Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara yang telah memberikan ilmu, saran, bimbingan dan segala bantuannya sehingga penelitian ini dapat terlaksana. 5. Ayah dan ibu serta adik tercinta yang memberikan doa, harapan, dan
dukungan lahir batin serta limpahan kasih sayang yang melimpah.
6. Agus Ghautsun Ni’am, Muhammad Ali Maksum, Farid Fachrudin, dan semua teman-teman TEP angkatan 42 atas segala diskusi, saran, kritikan, bantuan, dan semangat kepada penulis untuk menyelesaikan penelitian ini serta atas segala kebersamaannya selama di masa perkuliahan.
7. Pak Ahmad dan Mas Firman atas kerjasama dan segala bantuannya kepada penulis dalam melaksanakan penelitian ini.
8. Lembaga CCIT yang telah memberikan kesempatan bagi penulis untuk menggunakan fasilitas software EFD untuk penelitian.
9. Mas Edo, Mas Taupik dan seluruh anak kandang closed house Cikabayan IPB atas kerjasama dan bantuannya kepada penulis selama proses pengambilan data di kandang.
iv
Demikianlah skripsi yang masih sangat jauh dari sempurna, sehingga sangat diharapkan saran dan kritik dalam penulisannya. Semoga penulisan skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis dan bagi semua pihak yang membutuhkannya.
Bogor, Desember 2009
v
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR LAMPIRAN ... ix
DAFTAR ISTILAH ... x
I. PENDAHULUAN ... 1
A. Latar Belakang ... 1
B. Tujuan ... 2
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3
A. Ayam Ras Broiler ... 3
B. Kandang Tertutup (Closed House) ... 4
C. Faktor Yang Mempengaruhi Distribusi Suhu di Kandang Closed House ... 5
C.1 Pindah panas dari tubuh ayam ke lingkungan ... 6
C.2 Sistem insulasi dan konstruksi kandang ... 7
C.3 Sistem ventilasi ... 8
D. Suhu Efektif Ayam ... 8
E. Computational Fluid Dynamics ... 9
F. EFD Lab ... 13
G. Penelitian Terdahulu Yang Pernah Dilakukan Menggunakan CFD ... 14
METODOLOGI PENELITIAN ... 15
A. Waktu dan Tempat Penelitian ... 15
B. Alat dan Bahan... 15
vi
D. Tahapan Kegiatan Penelitian ... 17
D.1 Pemasangan kabel Termokopel pada kandang closed house ... 17
D.2 Pengukuran dimensi dan menggambar geometri kandang ayam closed house ... 17
D.3 Pengukuran suhu, kecepatan angin, dan kelembaban udara dalam kandang closed house ... 18
D.4 Pembuatan simulasi menggunakan EFD Lab 2008 ... 20
D.4.1 Pra-pengolahan ... 20
D.4.2 Pemecahan masalah... 23
D.4.3 Pasca-pengolahan ... 23
E. Validasi hasil simulasi ... 25
IV. PEMBAHASAN ... 26
A. Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Hasil Simulasi CFD ... 26
B. Validasi ... 39
C. Kondisi Lingkungan yang Sesuai Untuk Ayam dan Fenomena Aliran Yang Ada Dalam Kandang Closed house ... 41
V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 44
A. Kesimpulan ... 44
B. Saran ... 45
DAFTAR PUSTAKA ... 46
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Beberapa kondisi lingkungan kandang dan akibatnya pada ayam ... 4
Tabel 2. Pengaruh temperatur terhadap produksi unggas ... 4
Tabel 3. Nilai insulasi untuk material dengan ketebalan 25 mm ... 7
Tabel 4. Nilai insulasi untuk kandang ayam dalam kondisi iklim yang berbeda .... 7
Tabel 5. Titik pengukuran suhu untuk validasi ... 18
Tabel 6. Titik koordinat pengukuran angin ... 19
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Denah titik pengukuran suhu tampak atas untuk validasi ... 18
Gambar 2. Denah titik pengukuran kecepatan udara tampak atas untuk validasi . 19
Gambar 3. Denah titik pengukuran kelembaban udara tampak atas untuk validasi ... 20
Gambar 4. Diagram alir proses simulasi distribusi suhu udara dalam greenhouse menggunakan software EFD ... 24 Gambar 5. Geometri kandang piktorial dengan bagian atap disembunyikan
(hidden). ... 26 Gambar 6. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi aliran udara pada inlet27 Gambar 7. Cut plot contour parameter kecepatan udara pada iterasi ke-330
tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang ... 28
Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada iterasi ke-420 parameter kecepatan udara tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang ... 29
Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi profil kecepatan udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) ... 31
Gambar 9. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter tekanan udara tampak atas pada:(a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang ... 32
ix
Gambar 10. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter suhu tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak
vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai
kandang ... 33
Gambar 11. Cut plot tampak samping profil temperatur udara pada kandang ... 34
Gambar 12. Cut plot contour dan vector profil temperatur udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) ... 35
Gambar 13. Cut plot dan vector parameter kelembaban udara tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang ... 36
Gambar 14. Grafik nilai kecepatan aliran udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris ... 37
Gambar 15. Grafik nilai suhu udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris ... 38
Gambar 16. Grafik nilai kelembaban relatif udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris ... 38
Gambar 17. Grafik nilai suhu aktual dan hasil simulasi ... 39
Gambar 18. Grafik nilai kecepatan udara aktual dan hasil simulasi ... 40
x
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Tabel data pengukuran tanggal 30 juni 2009... 48
Lampiran 2. Hasil pengukuran suhu aktual dan nilai suhu hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi. ... 50
Lampiran 3. Hasil pengukuran kelembaban udara aktual dan nilai kelembaban udara hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi. ... 51
Lampiran 4. Hasil pengukuran kecepatan udara aktual dan kecepatan udara hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi. ... 52
Lampiran 5. Contoh tabel target suhu efektif dengan kondisi 8 exhaust fan beroperasi... 53
Lampiran 6. Gambar geometri model kandang closed house tampak samping .... 54
Lampiran 7.Gambar geometri model kandang closed house tampak belakang .... 55
Lampiran 8. Gambar geometri model kandang closed house tampak atas ... 56
Lampiran 10. Gambar piktorial modek kandang closed house ... 58
Lampiran 11. Foto dokumentasi kandang closed house ... 59
Lampiran 12. Data hasil kalibrasi kabel termokopel ... 60
Lampiran 13. Grafik hasil kalibrasi dan persamaan regresi kabel termokopel ... 61
Lampiran 14. Nilai dan grafik parameter suhu dan kecepatan udara hasil simulasi CFD ... 64
xi
DAFTAR ISTILAH
Kandang closed house : kandang sistem tertutup.
Pembesaran ayam : kegiatan pemeliharaan ayam untuk menambah berat badannya hingga berat tertentu.
Computational domain : Daerah batas dilakukan perhitungan simulasi CFD, biasanya berupa koordinat pada gambar geometri yang akan disimulasi.
Boundary condition : Kondisi yang ditentukan sebagai nilai input untuk perhitungan simulasi CFD.
Initial condition : Kondisi yang ditentukan sebagai nilai awal dimulainya simulasi CFD.
Internal flow : Pendefinisian daerah batas perhitungan simulasi CFD dalam
software EFD Lab hanya mencakup daerah di dalam gambar geometri saja.
External flow : Pendefinisian daerah batas perhitungan simulasi CFD dalam
software EFD Lab yang mencakup daerah di dalam gambar dan daerah di luar gambar geometri.
Pressure opening : Inisialisasi adanya area tempat masuknya fluida pada software
EFD Lab, seperti inisialisasi adanya jendela dan lubang ventilasi di ruangan tertutup. Biasanya digunakan untuk analisis dengan
internal flow.
Output flow : Inisialisasi adanya area tempat keluarnya fluida dari suatu ruangan tertutup dengan kecepatan tertentu pada software EFD Lab.
Heat source : Inisialisasi adanya sumber energi panas pada suatu permukaan benda pada software EFD Lab.
Real wall : Inisialisasi suhu tertentu di permukaan benda pada software EFD Lab.
Global goals : Tujuan umum yang akan dicapai dalam simulasi dan menjadi batas selesainya iterasi perhitungan dalam simulasi CFD
Cut plot : Metode untuk menampilkan gambar hasil simulasi.
Flow trajectories : Metode untuk menampilkan arah aliran fluida dalam bentuk animasi.
xii
Time dependency : Metode yang memasukkan pengaruh parameter waktu secara
series dalam perhitungan simulasi CFD.
Environment pressure : Salah satu cara untuk mendefinisikan pressure opening. Exhaust fan : Kipas blower untuk menghisap udara dalam kandang closed house. Outlet velocity : Salah satu cara untuk mendefinisikan inisialisasi outlet flow pada
software EFD Lab. Biasanya dengan cara memasukkan nilai kecepatan fluidanya.
Mesh dependency test : Metode untuk mendapatkan tingkat mesh yang optimal dalam pembuatan simulasi.
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Usaha pembesaran peternakan ayam broiler sudah banyak dilaksanakan di Indonesia baik dalam skala kecil (1000 – 50.000 ekor), sedang (50.000 – 500.000 ekor) bahkan dalam skala besar (100.000 – jutaan ekor) yang dilakukan oleh perusahaan (Fadillah et al., 2006). Seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dunia, maka kebutuhan akan daging ayam juga akan terus bertambah. Menurut data USDA Foreign Agricultural Service dan Paul Aho pada tahun 1995 produksi daging ayam dunia mencapai 40,4 juta ton per tahun dan pada tahun 2000 produksi dagin ayam dunia telah meningkat mencapai 50 juta ton per tahun (Bell, 2001).
Dalam usaha peternakan ayam broiler dibutuhkan pengetahuan tentang
breeding, feeding, manajemen pemeliharaan, dan pencegahan dan pemberantasan penyakit. Faktor perkandangan memegang peranan yang sangat penting dalam usaha peternakan ayam. Hal ini disebabkan kandang merupakan tempat hidup ayam dari usia awal sampai berproduksi atau dipanen (Priyatno, 2002). Di Indonesia saat ini banyak digunakan kandang sistem terbuka karena biaya pembuatan, operasi, dan pemeliharaan yang lebih murah jika dibandingkan dengan kandang sistem tertutup (closed house). Tetapi sistem kandang sistem tertutup ini memiliki kelebihan antara lain mampu menciptakan lingkungan yang ideal dalam kandang dengan lebih terkontrol, meningkatkan produktivitas ayam, efisiensi lahan dan tenaga kerja, serta lebih ramah lingkungan.
Prinsip utama dalam membangun kandang closed house adalah menyediakan lingkungan yang sehat bagi peternakan ayam. Kualitas lingkungan yang sehat menurut standar Eropa antara lain mencakup parameter kadar ammonia, karbon dioksida, debu tehirup oleh ternak, debu yang di respirasi oleh ternak, dan bakteri yang mematikan (Leeson, 2000). Parameter lain yang juga sangat penting dalam lingkungan kandang ayam adalah adalah suhu udara dan ventilasi dalam kandang (Bell, 2001).
Simulasi pola aliran udara dan suhu dalam kandang dapat digunakan untuk mengetahui sebaran panas udara dalam kandang karena suhu udara kandang
2
adalah parameter yang sangat penting. Berbeda dengan kandang sistem terbuka yang mengandalkan ventilasi alami, pada kandang closed house, ventilasi menggunakan tekanan yang dihasilkan oleh kipas dan menggunakan evaporative cooling system sebagai sistem pendinginnya. Simulasi pola aliran udara dan suhu dalam kandang ini dilakukan dengan menggunakan program Engineering Fluid Dynamic (EFD) yang merupakan suatu software yang membantu membuat simulasi aliran udara dengan pendekatan teknik Computational Fluid Dynamics
(CFD).
B. Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu :
1. Membuat simulasi aliran udara dan suhu di dalam kandang closed house dengan menggunakan teknik computational fluid dynamics.
2. Memahami dan menganalisa fenomena aliran udara dan distribusi suhu yang ada dalam kandang closed house melalui hasil simulasi yang telah dibuat.
3. Menjelaskan hubungan pola aliran udara dan distribusi dalam kandang
3
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Ayam Ras Broiler
Ayam ras broiler adalah salah satu jenis ayam tipe pedaging yang dipelihara di Indonesia secara komersial. Kata broiler berasal dari daerah bagian timur negara Amerika Serikat yang berarti unggas yang sangat muda usianya (Leeson, 2000).
Tipe ayam pedaging sebelumnya merupakan hasil sampingan dari produksi telur. Namun saat ini industri peternakan ayam modern telah banyak berdiri khusus untuk memproduksi ayam pedaging yang kegiatannya meliputi budidaya ayam pedaging dan industri pengolahan ayam. Saat ini, perubahan pada pembibitan ayam broiler (pedaging) dilakukan dengan memuliabiakkan secara teratur ayam bibit yang berbeda dan masing – masing memiliki sifat unggul seperti pertumbuhan cepat, produksi telur tinggi, efisiensi pakan tinggi, dan tahan terhadap penyakit. Sifat yang unggul ini akan digabungkan menjadi satu dalam satu galur melalui program seleksi breed dan menyilangkannya (Fadillah et al., 2006).
Pemeliharaan ayam broiler breeder untuk komersial pada periode pemanasan dimulai sejak DOC diterima hingga umur 3-4 minggu. Periode pemanasan sangat penting karena pada periode ini terjadi perkembangan fisiologis yang menentukan keberhasilan usaha ayam, yaitu periode pembentukan sistem kekebalan tubuh, sistem kardiovaskuler, pembentukan tubuh, dan awal pembentukan kerangka tubuh (Fadillah et al., 2006).
Kondisi lingkungan yang tidak sesuai dengan karakteristik ayam dapat menyebabkan penurunan produksi hingga penyebaran penyakit. Penyakit pada ayam ras broiler yang disebabkan karena kualitas udara yang kurang baik antara lain flu burung, penyakit berak darah (Coccidiosis), Infectious Laryngotrachesis,
Infectious Stunting Syndrome, Newcastle Disease atau tetelo (Fadillah et al., 2006).
4
Tabel 1. Beberapa kondisi lingkungan kandang dan akibatnya pada ayam
Kondisi Akibat pada ayam
Kelembaban tinggi Ayam mengalami heat stress dan memicu rendahnya
feed intake
Suhu tinggi Ayam mengalami heat stress karena terjadinya fluktuasi suhu yang tinggi antara siang dan malam.
Kecepatan angin
tinggi
Ayam mengalami efek wind chill terutama pada anak ayam.
Sumber: Anonim, 2007
Tabel 2. Pengaruh temperatur terhadap produksi unggas
Suhu Pengaruh Terhadap Produksi
< 10° C Menurunkan angka pertumbuhan dan produksi 10-21° C Menurunkan efisiensi penggunaan makanan 21-26° C Selang temperatur ideal
26-29° C Terjadi penurunan dalam perolehan makanan, ukuran telur dan kualitas telur agak menurun
29-32° C Pertumbuhan lambat, konsumsi makan menurun, ayam mulai terengah-engah kepanasan, produksi telur, ukuran telur dan kualitas sel menurun, serta konsumsi air minum meningkat 32-35° C Unggas terserang stress, konsumsi makan menurun
35-38° C Kemungkinan terjadi kematian
Sumber: M. K Yoesoef, 1985 dalam Priyatno, 2002
Dalam Farrel (1979) menurut Cowan dan Michie (1978) mengatakan bahwa performa ayam–ayam broiler menurun pada suhu diatas 23oC. Dari laporan Harris et al. (1974) dalam Farrel (1979) juga mengatakan bahwa suhu optimum untuk pertumbuhan ayam broiler adalah pada suhu 21oC sedangkan kisaran suhu dimana pertambahan berat badan ayam efisien antara 15oC-27oC.
B. Kandang Tertutup (Closed House)
Kandang tipe tertutup dibuat dengan tujuan agar keadaan lingkungan luar seperti udara panas, hujan, angin, dan intensitas sinar matahari tidak berpengaruh banyak terhadap keadaan dalam kandang. Sebagian besar kandang dibuat tertutup
5
dengan tembok, seng, atau layar, kecuali bagian ujung kandang untuk udara
masuk (inlet) dan bagian ujung kandang satunya untuk tempat kipas (outlet) (Fadillah et al, 2006). Kandang ayam sistem tertutup harus mampu mengeluarkan
gas – gas beracun dan panas berlebih di dalam kandang yang dihasilkan dari ayam yang dipelihara.
Sistem ventilasi di kandang tertutup merupakan bagian yang penting untuk diperhatikan karena berperan dalam sirkulasi udara. Sistem ventilasi di kandang tertutup tergantung dari jenis kipas yang digunakan. Berdasarkan cara kerja kipas, sistem ventilasi di kandang tertutup dibagi menjadi dua cara, yaitu mendorong udara masuk dan menyedot udara keluar (Fadillah et al, 2006).
Sistem pendinginan atau cooling system yang diterapkan dalam kandang sistem tertutup diterapkan berbeda – beda tergantung wilayah dan situasi iklim setempat. Di Indonesia kita bisa temukan sistem pendingin dengan menggunakan pad pendingin, media evaporative atau fogging system. Sistem ini memanfaatkan evaporasi air dari media pad atau media evaporative lainnya sehingga udara yang melintas pada media ini akan turun suhunya (Anonim, 2007).
Unsur-unsur selain sistem ventilasi dan sistem pendinginan yang perlu diperhatikan dalam kandang sistem tertutup antara lain jenis kipas, dinding kandang, filter cahaya, masukan udara, sistem pencahayaan, panel kontrol, dan sistem elektrik (Anonim, 2007). Semua unsur tersebut menjadi satu kesatuan konsep global yang ada pada kandang closed house.
C. Faktor Yang Mempengaruhi Distribusi Suhu di Kandang Closed House
Ayam adalah hewan homeothermic atau berdarah panas yang harus mempertahankan suhu tubuhnya dalam rentang suhu yang sempit. Oleh karena itu agar ayam merasa nyaman perlu dibuat lingkungan yang sesuai dengan kondisi ayam tersebut. Suhu tubuh unggas lebih bervariasi daripada mamalia, oleh karena itu tidak ada suhu tubuh yang pasti untuk unggas. Untuk ayam dewasa suhu tubuhnya berkisar antara 105o F-107o F (40,6o C- 41,7o C) (Bell dan Weaver, 2001).
6
Faktor yang mempengaruhi parameter suhu dalam kandang adalah pindah panas dari tubuh ayam, sistem insulasi kandang, dan sistem ventilasi kandang.
C.1 Pindah panas dari tubuh ayam ke lingkungan
Dalam kandang terjadi proses pindah panas dari tubuh ke lingkungan sekitar kandang. Menurut Bell dan Weaver (2001), proses pindah panas itu terjadi dalam beberapa cara. Cara-cara terjadinya pindah panas adalah :
1. Radiasi
Ketika temperatur dari tubuh ayam lebih besar daripada daerah batas sekitar atau lingkungan, maka terjadi perpindahan panas secara radiasi hingga panas daerah sekitar ayam atau lingkungannya sama dengan suhu tubuh ayam.
2. Konduksi
Terjadi pindah panas ketika tubuh ayam kontak dengan permukaan dari objek lain yang suhunya lebih rendah seperti lantai atau dinding kandang. 3. Konveksi
Ketika aliran udara dengan suhu lebih rendah daripada suhu ayam mengenai tubuh ayam tersebut sehingga suhu tubuh ayam turun.
Sedangkan kegiatan yang dilakukan ayam yang menyebabkan terjadinya pindah panas di dalam kandang adalah:
1. Ekskresi
Sejumlah kecil panas hilang dari tubuh ayam melalui pengeluaran ekskresi. 2. Produksi Telur
Kehilangan panas lewat telur yang dikeluarkan oleh ayam. Tetapi ini adalah faktor minor yang kurang diperhitungkan.
Faktor lainnya yang perlu diperhatikan untuk mengamati proses pindah panas dalam kandang adalah :
1. Panas Sensibel
7
2. Panas Laten
Seperti pada mamalia yang terjadi proses evaporasi melalui kelenjar keringat, ayam juga mengalami proses pendinginan secara evaporasi melalui penguapan dari lapisan lembab pada sistem respirasinya (paru–paru dan pundi udara).
C.2 Sistem insulasi dan konstruksi kandang
Secara umum bangunan kandang harus kokoh dan kandang tidak boleh terlalu panas. Sistem insulasi atau sistem penyekat panas diberi harga dengan nilai R atau RSI. Nilai R dan RSI ini menunjukkan resistensi bahan terhadap panas. Angka tersebut menunjukkan besarnya daya sekat panas suatu bahan yang sering digunakan dalam kandang ayam.
Tabel 3. Nilai insulasi untuk material dengan ketebalan 25 mm
Material RSI R Fiberglass 0,60 3,40 Polystyrene 0,65 3,70 Polyurethane 1,00 5,70 Wood 0,30 1,70 Concrete 0,00 0,01 Window-single 0,15 0,85 Window-Thermal 0,33 1,87
Sumber : Leeson and Summers. 2000. Broiler breeder production. Canada: UNIVERSITY Books
Tabel 4. Nilai insulasi untuk kandang ayam dalam kondisi iklim yang berbeda
Condition Wall Roof
R RSI R RSI
Hot Climate 2 0,35 8 1,40
Cold Climate 20 3,50 30 5,30
Sumber : Leeson and Summers. 2000. Broiler breeder production. Canada: UNIVERSITY Books
Material penyekat panas harus dalam tetap kering agar uap dapat berperan sebagai konduktor panas dan proses pindah panas dapat berlangsung optimal. Bahan material seperti polystyrene, polyurethanes, dan vermicullite
tidak menyerap air sehingga tidak membutuhkan bahan pelapis untuk menahan uap. Tetapi untuk beberapa bahan material yang menyerap air seperti cellulose, fiberglass dan beberapa jenis produk wool akan menyerap panas dan
8
membutuhkan bahan yang menahan uap yang terpisah (Bell dan Weaver, 2006).
C.3 Sistem ventilasi
Ventilasi adalah hubungan antara masukan udara, kipas, dan pola angin yang terbentuk. Jenis kipas atau kombinasi kipas yang dipakai tergantung dari sistem ventilasi apa yang diterapkan (anonim, 2007). Sistem ventilasi di kandang closed house menurut cara kerja kipassecara umum dapat dibagi dua yaitu tekanan positif dan tekanan negatif. Cara kerja sistem ventilasi tekanan positif yaitu dengan cara mendorong udara masuk ke dalam kandang sedangkan sistem tekanan negatif bekerja kebalikannya yaitu mengalirkan udara ke luar kandang. Sistem ventilasi bertekanan dalam kandang closed house dapat dikelompokkan dalam dua jenis yaitu tunnel ventilation system dan
cooling pad system (Fadillah et al., 2006). Dalam penelitian ini, kandang closed house yang diteliti termasuk dalam tunnel ventilation system.
D. Suhu Efektif Ayam
Suhu efektif adalah suhu yang dimanfaatkan oleh ternak untuk kehidupannya, dipengaruhi oleh suhu dan kelembaban udara, radiasi matahari dan kecepatan angin (West, 1994 dalam Yani Ahmad, 2007). Suhu efektif menunjukkan tingkat kenyamanan pada ayam broiler karena suhu efektif menggambarkan suhu yang benar-benar dirasakan oleh ayam.
Keadaan paling kritis untuk ayam di kandang closed house adalah pada saat 1-2 jam setelah posisi matahari tertinggi. Karena pada waktu tersebut suhu udara mencapai suhu tertinggi. Suhu udara tertinggi pada 1-2 jam setelah posisi matahari tertinggi, dengan 43% radiasi matahari dipantulkan kembali, 43% diserap oleh permukaan bumi, dan 14% diserap oleh atmosfer (Anggraeni, 2007). Kelembaban relatif sangat berpengaruh terhadap suhu yang dirasakan ayam. Kelembaban relatif menurut Bell dan Weaver (2001) adalah kuantitas dari uap air di udara dibandingkan dengan kandungan uap air maksimum pada suhu tertentu. Semakin tinggi kelembaban relatif pada lingkungan akan menyebabkan tubuh ayam semakin sulit untuk mendinginkan suhu tubuhnya melalui sistem penguapan tubuhnya. Sedangkan kecepatan udara yang menerpa
9
tubuh ayam sangat membantu ayam untuk melepaskan panas dari tubuhnya karena terjadi konveksi panas dari permukaan kulit ayam ke udara yang bergerak.
E. Computational Fluid Dynamics
Computational Fluid Dynamics (CFD) berkembang dengan pesat ketika National Aerospace Plane (NASP) menjadikannya sebuah project pada tahun 1980 untuk menguji sebuah desain pesawat luar angkasa. CFD saat itu telah berkembang hingga dapat memperhitungkan aliran udara pada benda tumpul yang bergerak dalam kecepatan hipersonik. Saat ini CFD sudah digunakan dalam banyak bidang seperti bidang perencanaan desain otomotif dan mesin, industri manufaktur, arsitektur perkapalan, teknik sipil, dan bidang kajian lingkungan.
Menurut Tuakia, 2008, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematikanya. Sedangkan menurut Anderson, 1995, Computational Fluid Dynamic adalah sebuah seni untuk menempatkan persamaan integral atau turunan parsial dari persamaan matematika fundamental fluida dengan bentuk aljabar diskret untuk mendapatkan nilai medan aliran pada titik-titik waktu dan koordinat tertentu.
CFD merupakan pendekatan pemecahan permasalahan dari persamaan kontinum (sel tak hingga) menjadi suatu persamaan yang diskret (sel hingga). Perhitungan komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya metode beda hingga (finite difference method), metode element hingga (finite element method), metode volume hingga (finite volume method), metode elemen batas (boundary element method) dan metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method) (Tuakia, 2008).
Teknik Computational Fluid Dynamics untuk memecahkan suatu persoalan aliran fluida saat ini dikembangkan menggunakan tiga pendekatan, yaitu pendekatan teori, percobaan, dan simulasi CFD (Anderson, 1995). Dengan ketiga pendekatan itu diharapkan CFD dapat berguna untuk membantu
10
menjelaskan hasil simulasi berdasarkan eksperimen yang dilakukan dan berdasarkan landasan teori yang ada.
Membuat simulasi menggunakan teknik CFD di lakukan dalam tiga tahap proses utama yaitu Pra-pengolahan, pemecahan masalah dan pasca-pengolahan.
1. Pra-pengolahan
Tahap ini berguna untuk mendefinisikan input dari simulasi yang akan di buat. Pada tahap Pra-pengolahan didefinisikan beberapa hal berikut sebagai input :
a. Menentukan batas computational domain dari gambar geometri yang akan dianalisis.
b. Menentukan sifat bahan gambar geometri dan sifat fluida yang akan dianalisis melalui modul engineering database yang tersedia.
c. Menentukan tingkat mesh untuk analisis.
d. Menentukan kondisi batas atau boundary condition yang akan dianalisis.
e. Menentukan goals atau tujuan yang akan dihitung pada proses pemecahan masalah.
Penentuan nilai parameter pada tahap Pra-pengolahan sangat ditentukan dengan pengamatan dan pemahaman terhadap kondisi dan situasi yang terjadi di lapangan. Semakin lengkap dan kompleks pendefinisian pada tahap Pra-pengolahan ini akan semakin tepat pula hasil yang didapat. Tetapi perlu juga diperhatikan sumberdaya komputer yang dimiliki dan waktu untuk melakukan simulasi karena akan membutuhkan sumberdaya dan waktu simulasi yang semakin besar.
2. Pemecahan masalah
Tahap ini merupakan tahap untuk pencarian solusi berdasarkan definisi dari tahap pra-pengolahan. Persamaan untuk memecahkan input data dari pra-pengolahan dibangun dari tiga prinsip dasar fluida yaitu:
1. Hukum kekekalan massa.
Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju net aliran massa ke dalam
11 y f y w z v z y u x v x y v V V y y p z vw x uv y v t v 2 . ) ( ) ( ) ( ) ( 2 x f x w z u z y u x v y x u V V x x p z uw y uv x u t u 2 . ) ( ) ( ) ( ) ( 2 z f x w z u x z v y w y z w V V z z p x uw y vw Z w t w 2 . ) ( ) ( ) ( ) ( 2
elemen fluida dituliskan dalam bentuk persamaan kontinuitas tiga dimensi sebagai berikut (Anderson, 1995):
t z w y v x u Dt D ( ) ( ) ( ) ... .(1)
dengan ρ merupakan masa jenis dari fluida dan t adalah waktu
sedangkan u, v, w merupakan komponen dari vektor kecepatan dalam sumbu x, y, dan z yang diberikan dalam persamaan berikut:
V uivjwk ... .(2)
dan i, j, dan k adalah unit vektor pada sumbu x, y,dan z.
2. Laju perubahan momentum
Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton). Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes berikut (Anderson, 1995).
Momentum x: . ...(3) Momentum y: ...(4) Momentum z: ...(5)
12
dengan u, v, dan w merupakan komponen dari vektor kecepatan dalam sumbu x, y, dan z, ρ adalah masa jenis fluida, p adalah tekanan, f
adalah gaya per satuan masa yang dikenakan pada fluida, fxadalah f
pada sumbu x, V adalah kecepatan skalar, V adalah kecepatan vektor,
adalah koefisien viskositas molekular dan adalah -2/3 .
3. Hukum kekekalan energi.
Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa : Laju perubahan energi partikel fluida sama dengan laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambah dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematik dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut (Anderson, 1995):
z y x w z y x v z y x u z w y v x u p z T k z y T k y x T k x q V e Dt D zz yz xz zy yy xy zx yx xx 2 2 ...(5)
Dengan e merupakan internal energi, k adalah konduktivitas panas, T
adalah temperatur fluida, τ merupakan tegangan geser atau shear
stress, sedangkan τxy menunjukkan adanya tegangan geser pada arah
sumbu x pada bidang yang tegak lurus dengan bidang sumbu y.
3. Pasca-pengolahan
Tahap pasca-pengolahan adalah tahap untuk menampilkan hasil dari iterasi pemecahan persamaan pada tahap pemecahan masalah. Pada tahap pasca-pengolahan digunakan teknik komputer grafik untuk menampilkan hasil iterasi persamaan. Beberapa teknik komputer grafik yang biasa digunakan dalam CFD antara lain xy plots, contour plots,
vector dan streamline plots, scatter plots, mesh plots, dan composite plots
13 F. EFD Lab
EFD Lab adalah salah satu software yang membantu kita untuk membuat suatu simulasi fluida dengan pendekatan teknik computational fluid dynamic. EFD Lab mempunyai keunggulan dibandingkan software lain sejenis antara lain
engineering database yang lebih lengkap dan dapat dengan mudah ditambahkan propertisnya, interface yang mudah digunakan, terdapat modul elektronik untuk simulasi aliran fluida yang berkenaan dengan elektronika, sudah mendukung simulasi dalam model yang mempunyai lubang-lubang kecil (porous media), analisis wall dengan memperhitungkan kekasaran permukaannya, dan peningkatan resolusi geometri. Di dalam EFD Lab secara umum akan menuntun pengguna untuk melakukan simulasi dengan tahap-tahap sebagai berikut:
1. Menentukan computational domain.
Computational domain adalah batas area simulasi. Di EFD Lab terdapat dua tipe analisis yaitu internal flow dan external flow. Computational domain untuk internal flow meliputi seluruh area model geometri yang akan dianalisis dan untuk external flow berupa area prisma segi empat yang mencakup seluruh model geometri.
2. Menentukan initial dan boundary condition.
Initial dan boundary condition adalah input data untuk melakukan simulasi. 3. Menentukan mesh.
EFD Lab secara otomatis akan membagi mesh pada daerah computational domain sesuai dengan tingkat mesh yang dipilih. Pengguna dapat memperbaiki mesh yang telah dilakukan dengan melakukan refinement
ketika perhitungan pada tahap solving berjalan. 4. Menjalankan iterasi perhitungan atau tahap solving.
EFD Lab melakukan diskretisasi persamaan navier-stokes dan memecahkan persamaan itu dalam computational domain.
5. Menampilkan hasil.
Hasil dari tahap solving ditampilkan dalam gambar geometri, grafik, dan tabel. EFD Lab juga dapat menampilkan hasil yang diperoleh dalam bentuk format microsoft excel, file ASCII, ataupun microsoft word.
14 G. Penelitian Terdahulu Yang Pernah Dilakukan Menggunakan CFD
Sudah ada beberapa penelitian pernah dilakukan menggunakan teknik CFD. Muflihati (2006) telah melakukan penelitian tentang analisis pola aliran udara dan suhu pada kandang ayam pedaging beratap monitor menggunakan teknik computational fluid dynamic (CFD). Yani (2007), dalam tesisnya membahas analisis dan simulasi distribusi suhu udara pada kandang sapi perah menggunakan teknik CFD. Kedua judul penelitian tersebut menggunakan
software fluent sebagai tools untuk pembuatan simulasi CFD nya. Asnawi (2009) melakukan penelitian mengenai pola aliran udara dan distribusi suhu pada greenhouse tipe standart peak menggunakan teknik CFD. Ni’am (2009) melakukan simulasi dispersi gas polutan SO2, H2S, dan CO dengan menggunakan
teknik CFD. Berbeda dengan penelitian terdahulu yang membahas aliran udara dan proses pindah panas yang terjadi, penelitian ini membahas proses pindah massa dihubungkan dengan jenis polutan dan aliran udaranya pada cerobong asap pabrik industri. Software yang digunakan oleh Asnawi (2009) dan Ni’am (2009) menggunakan software EFD Lab sebagai tools untuk membuat simulasi sama seperti yang digunakan pada penelitian ini.
15
METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Kegiatan penelitian di dilakukan pada bulan april hingga november 2009, sedangkan pengambilan data di kandang ayam closed house Cikabayan dilakukan pada masa pembesaran ayam bulan Mei 2009.
B. Alat dan Bahan
1. Kandang ayam closed house
Kandang ayam yang digunakan dalam penelitian kali ini adalah kandang ayam produksi closed house yang ada di lahan penelitian Cikabayan IPB dengan luas kandang 12 m X 120 m dan kapasitas ayam sebesar 20.000 ekor (foto pada lampiran 9).
2. Ayam broiler
Ayam broiler yang sedang dalam tahap pembesaran dalam kandang closed house.
3. Anemometer
Mengukur besarnya kecepatan udara pada titik pengukuran yang ditentukan.
4. Kestrel Instrumen
Instrumen standar yang digunakan untuk pengukuran parameter kontrol kelembaban udara, angin, dan suhu yang dimiliki oleh manajemen kandang closed house. Pada penelitian ini digunakan untuk mengukur nilai kelembaban udara.
5. Thermokopel dan hybrid recorder
Untuk mengukur suhu di dalam ruangan yang meliputi suhu dinding, suhu udara, suhu atap, dan suhu pada ketinggian tertentu diatas permukaan lantai untuk validasi.
6. Kabel PVC ukuran ZAA
Kabel digunakan sebagai sambungan thermokopel untuk memperluas area pengukuran.
16
7. Personal Computer
PC yang digunakan memiliki spesifikasi Processor Core 2 duo 1,7 Ghz dengan RAM 1024 Mb.
8. EFD Lab 2008 Software(Engineering Fluid Dynamic)
Software yang digunakan untuk membuat simulasi aliran udara.
C. Pendekatan Permasalahan
Untuk membuat suatu simulasi dalam EFD Lab 2008 kita perlu membuat batasan-batasan boundary condition untuk menyederhanakan kondisi di kandang
closed house yang terlalu kompleks. Dalam penelitian ini digunakan batasan dan asumsi untuk simulasi sebagai berikut:
1. Udara bergerak dalam kondisi steady dan tidak terkompresi (uncompressible).
2. Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan.
3. Model kandang dalam simulasi dibuat dalam ukuran sesungguhnya atau memiliki perbandingan ukuran 1 : 1 terhadap kandang sebenarnya.
4. Simulasi dilakukan pada umur ayam 30 hari atau satu hari sebelum panen ayam karena pada umur inilah saat yang paling kritis untuk ayam terhadap pengaruh suhu lingkungan.
5. Simulasi dibuat dengan memasukkan inisialisasi panas ayam sebagai
heat source yang didapatkan dalam literatur.
6. Sumber panas dari ayam diasumsikan sebagai area plat datar yang menghasilkan panas dan nilai panasnya sebanding dengan nilai panas ayam pada berat tertentu sesuai dengan pengamatan di kandang ayam produksi closed house.
7. Nilai inisialisasi panas lain dari konstruksi kandang ayam adalah panas pada tembok bawah (concrete), terpal plastik polyethilene (PE), dinding plat alumunium atas, dan atap alumunium.
17
8. Distribusi duhu udara pada tiap komponen kandang closed house pada batasan simulasi no 7 adalah seragam.
9. Inisialisasi panas yang lain seperti dari kotoran ayam, peralatan penunjang produksi dalam kandang tidak diinisialisasikan karena memperhatikan keterbatasan teknik simulasi dan sumberdaya komputer.
D. Tahapan Kegiatan Penelitian
D.1 Pemasangan kabel Termokopel pada kandang closed house
Karena area yang diukur suhunya meliputi area yang sangat luas dan jumlah termokopel yang terbatas sehingga dilakukan penyambungan
termokopel dengan kabel ukuran zaa. Hasil penyambungan termokopel dan kabeldikalibrasi dengan termometer standar. Cara kaibrasinya yaitu dengan menaikkan suhu termometer standar dan kabel termokopel di dalam medium air pada rentang suhu antara 30oC-40oC dan mencatat data nilai suhunya. Data nilai suhu dari termometer standar dan kabel termokopel
tersebut dibuat nilai persamaan linear regresinya. Persamaan linear regresi tersebut digunakan untuk mendekati nilai suhu yang sebenarnya dari data yang diukur oleh kabel termokopel. Data hasil kalibrasi dapat dilihat pada lampiran 12 dan 13.
D.2 Pengukuran dimensi dan menggambar geometri kandang ayam
closed house
Pengukuran dilakukan di semua bagian kandang yang akan di gambar geometrinya. Bentuk dan dimensi kandang digambar menggunakan program Solidworks 2008. Beberapa detail gambar dihilangkan agar gambar geometri dapat digunakan untuk membuat simulasi menggunakan EFD Lab 2008. Semakin detail gambar maka ukuran file dan jumlah solid cells makin besar sehingga kebutuhan physical memory untuk membuat simulasi menggunakan EFD Lab 2008 akan semakin besar pula. Detail yang dihilangkan antara lain bagian tiang-tiang penyangga, peralatan makan dan minum, serta detail papan dinding alumunium.
18 D.3 Pengukuran suhu, kecepatan angin, dan kelembaban udara
dalam kandang closed house
Kegiatan pengukuran dilakukan pada saat ayam umur 30 hari setelah sebelumnya dilakukan penelitian pendahuluan yaitu kegiatan pengukuran pada saat umur ayam 5 hari, 25 hari, dan 29 hari. Pengukuran suhu udara pada kandang menggunakan kabel termokopel dan datanya direkam dalam
hybrid recorder dengan interval perekaman data setiap 10 menit dari jam 10.00 hingga pukul 14.00. Data pengukuran dapat dilihat pada lampiran 1. Titik pengukuran untuk validasi simulasi ditempatkan pada titik-titik pada koordinat berikut.
Tabel 5. Titik pengukuran suhu untuk validasi
Titik Koordinat x (m) y (m) z (m) 1 33 2.4 0.45 2 33 6 0.45 3 36 9.6 0.45 4 68 2.4 0.45 5 68 6 0.45 6 68 9.6 0.45 7 96 2.4 0.45 8 96 6 0.45 9 96 9.6 0.45 10 51 6 1.7 11 84 6 1.7
Gambar 1. Denah titik pengukuran suhu tampak atas untuk validasi
Besarnya kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Nilai inisialisasi outlet velocity kecepatan angin didapatkan dari pengukuran terhadap kecepatan angin di ujung bagian dalam exhaust fan. Sedangkan
19
untuk titik validasi kecepatan angin dilakukan pengukuran pada titik-titik berikut:
Tabel 6. Titik koordinat pengukuran angin
Titik Koordinat x (m) y (m) z (m) 1 14 6 1.7 2 14 6 0.45 3 64 9.6 1.7 4 64 9.6 0.45 5 64 6 1.7 6 64 6 0.45 7 64 2.4 1.7 8 64 2.4 0.45 9 118 9.6 1.7 10 118 9.6 0.45 11 118 6 1.7 12 118 6 0.45 13 118 2.4 1.7 14 118 2.4 0.45
Gambar 2. Denah titik pengukuran kecepatan udara tampak atas untuk validasi
Sedangkan untuk titik pengukuran yang digunakan sebagai nilai input untuk boundary condition pada proses pra-pengolahan adalah suhu atap alumunium, suhu terpal plastik PE, suhu tembok bawah, dan suhu dinding alumunium bagian atas. Nilai kelembaban udara diukur menggunakan
kestrel instrument. Titik pengukuran kelembaban udara berada pada titik-titik berikut.
20
Tabel 7. Titik koordinat pengukuran kelembaban udara
Titik Koordinat x (m) y (m) z (m) 1 14 6 0.45 2 28 6 0.45 3 28 2.4 0.45 4 28 9.6 0.45 5 60 6 0.45 6 60 2.4 0.45 7 60 9.6 0.45 8 114 6 0.45 9 114 2.4 0.45 10 114 9.6 0.45
Gambar 3. Denah titik pengukuran kelembaban udara tampak atas untuk validasi
D.4 Pembuatan simulasi menggunakan EFD Lab 2008
Data yang digunakan untuk membuat simulasi analisis pola aliran udara dan distribusi suhu pada kandang closed house adalah data pada pada pukul 13.00 saat ayam yang berumur 30 hari. Pengambilan data dipilih ketika umur ayam 30 hari karena ayam pada umur 4 minggu hingga panen paling rentan terhadap suhu tinggi.
D.4.1 Pra-pengolahan
Pembuatan simulasi dimulai pada tahap pra-pengolahan. Pada tahap ini ditentukan jenis analisis aliran adalah analisis aliran internal, jenis fluida adalah udara, tidak memasukkan analisis time dependency
atau merupakan analisis steady state, dan masukan boundary condition
21 a. Pressure opening
Inisialisasi pressure opening diberikan pada dua evaporative pad pada bagian depan samping kanan dan kiri kandang closed house sebagai saluran udara masuk. Tipe yang diberikan adalah
environment pressure. EFD Lab 2008 menganalisis Environment pressure sebagai static pressure jika ada aliran udara keluar dan sebagai total pressure jika ada aliran udara masuk. Initial condition
untuk kondisi udara lingkungan berdasar pengukuran adalah suhu sebesar 32.7 oC dan kelembaban udara sebesar 71%.
b. Output Flow
Output flow dalam simulasi ini berupa 8 buah exhaust fan yang menghisap udara dari dalam kandang ke luar kandang. Output flow
berupa masukan outlet velocity dari rataan hasil pengukuran kecepatan setiap exhaust fan di dalam kandang closed house. Nilai kecepatan angin untuk outlet velocity berdasar pengukuran di ujung dalam fan kandang closed house sebesar 5 m/s.
c. Heat source
Panas ayam diinisialisasikan sebagai heat source berupa tiga buah permukaan lembaran plat setebal 1cm yang menghasilkan panas di dasar lantai kandang. Luasan tiga lembaran tersebut menggambarkan sebaran ayam dalam kandang closed house yang dibagi dalam tiga area sekat-sekat dengan kepadatan tertentu. Kapasitas kandang ayam adalah 20.000 ekor. Pada umur 30 hari jumlahnya menjadi 19.800 ekor karena ada tingkat kematian ayam sebesar 1%. Jika ayam dewasa siap panen menghasilkan panas ayam sebesar 11,02 BTU/jam per Kg berat ayam atau setara dengan 3,2 watt per Kg berat ayam (Anonim, 2007), maka dengan rata-rata berat ayam siap panen di kandang sebesar 1,8 Kg didapatkan nilai kalor seluruh ayam adalah 114,048 KW. Nilai kalor tersebut dibagikan dalam tiga area plat berdasar pengamatan
22
bahwa area I sebesar 35% dari jumlah ayam dengan heat surface
sebesar 39,92 KW, area II sebesar 40% dari jumlah ayam dengan
heat surface sebesar 45,62 KW, dan area III sebesar 25% jumlah ayam dengan heat surface sebesar 28,51 KW.
d. Real wall
Panas dari bahan konstruksi dimasukkan dalam real wall. Real wall adalah inisialisasi panas pada bagian konstruksi kandang yang nilainya didapatkan dari hasil pengukuran di kandang closed house. Atap kandang adalah bahan alumunium dengan suhu permukaan 33,50C. Tembok bawah adalah bahan tembok bata plester dengan suhu permukaan 32,30C. Tirai terpal adalah bahan plastik PE dengan suhu permukaan 37,90C. Dinding penyangga atas adalah bahan alumunium dengan suhu permukaan 34,60C.
e. Global goals
Global goals merupakan parameter fisik yang akan dimasukkan di seluruh computational domain dalam proses perhitungan. Global goals yang dimasukkan meliputi average total pressure, average temperature fluid, min temperature fluid, average velocity, max velocity, dan min velocity. Global goals merupakan acuan untuk mengakhiri iterasi pada simulasi. Iterasi akan berhenti ketika seluruh global goals sudah mencapai nilai kovergen.
Tahap berikutnya dalam inisialisasi boundary condition adalah tahap penentuan mesh atau meshing. Mesh adalah bagian-bagian kecil pemecahan dari seluruh computational domain sebagai area-area perhitungan. Pemilihan mesh didahului dengan percobaaan penentuan mesh yang sesuai menggunakan gambar geometri kandang yang ada dengan masukan boundary condition dan global goals yang lebih sederhana untuk mempercepat proses iterasi. Bila nilai dari global goals dan sudah mendekati, maka proses pemilihan mesh selesai.
23
Pilihan mesh juga memperhatikan jumlah physical memory yang disediakan oleh komputer. Makin tinggi tingkat pilihan mesh maka akan makin besar kebutuhan physical memory. Pada simulasi ini dipilih menggunakan mesh tingkat 5.
D.4.2 Pemecahan masalah
Tahap pemecahan masalah yaitu tahap untuk melakukan perhitungan secara otomatis oleh EFD Lab 2008. Pengamatan proses perhitungan dapat dilihat melalui menu calculation control option
selama proses perhitungan agar diketahui ada tidaknya kesalahan atau error dalam perhitungan. Di dalam menu calculation control option ini juga terdapat informasi mengenai waktu perhitungan, jumlah cells
dalam geometri yang dipilih, dan informasi lain yang sangat berguna untuk memonitor proses perhitungan.
D.4.3 Pasca-pengolahan
Setelah hasil running pada tahap pemecahan masalah diyakini sudah benar maka hasil simulasi yang dibuat dapat ditampilkan dengan beberapa macam cara yang terdapat dalam EFD Lab 2008 antara lain dengan cara cut-plot dan flow trajectories. Parameter utama yang di tampilkan meliputi kecepatan udara, suhu, tekanan udara. Sedangkan untuk parameter kelembaban udara walaupun tidak di atur memenuhi kondisi sebenarnya seperti di kandang dan tidak bisa dijadikan acuan simulasi keadaan sebenarnya, tetap ditampilkan untuk mengetahui hasil simulasinya menggunakan CFD.
24
Gambar 4. Diagram alir proses simulasi distribusi suhu udara dalam greenhouse menggunakan software EFD
selesai kovergen Mulai material geometri Pendefinisisan
Penyusunan struktur geometri (assembly)
Set kondisi umum (ambien)
Set domain, boundary condition dan goal
parameter
Run
Meshing
Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter
Pembuatan geometri (part) Ya Tidak Pre-processor Solver Post-processor Calculation Memenuhi kriteria Mesh dependency test
Ya Tidak
25 E. Validasi hasil simulasi
Validasi dilakukan untuk membandingkan hasil pengukuran dengan hasil perhitungan (suhu) pada titik-titik tertentu yang diinginkan. Validasi hasil simulasi dapat dilakukan dengan menghitung nilai Standard Error Prediction
(SEP), bias (d), Coefficient of Variation (CV) dan Average Precentage of Deviation (APD).
n i n Yp Ya SEP 1 2 1 ... (9)
n i n Ya Yp d 1 ... (10) % 100 Ya SEP CV ... (11)
n i Ya Yp Ya n APD 1 2 100 ... (12)Dimana : Ya= nilai aktual pengukuran
Yp= nilai hasil simulasi
n = jumlah data
Ya= nilai rata-rata aktual pengukuran
Hasil simulasi dikatakan baik jika nilai SEP yang diperoleh dibawah 4.0, nilai bias mendekati nol, nilai CV dibawah 5% (Wahyuningsih, 2007). Validasi hasil simulasi juga ditentukan dari nilai APD. Jika nilai APD mendekati nilai 0 maka hasil simulasi makin baik (Arif C, 2008). Nilai bias yang negatif menunjukkan nilai hasil simulasi yang selalu lebih tinggi dari nilai aktual.
26
IV. PEMBAHASAN
A. Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Hasil Simulasi CFD
Simulasi distribusi pola aliran udara dan suhu dilakukan pada saat ayam produksi sehingga dalam simulasi terdapat inisialisasi panas ayam yang mempengaruhi suhu lingkungan kandang. Pengukuran suhu di kandang dilakukan pada pukul 10:00 WIB hingga pukul 16:00 WIB dengan keadaan cuaca cerah. Simulasi tidak memasukkan analisis time dependency sehingga hanya digunakan satu data yang mewakili suhu lingkungan maksimum yaitu pada pukul 13:00.
Gambar 5. Geometri kandang piktorial dengan bagian atap disembunyikan (hidden).
Bentuk geometri dari ayam diasumsikan sebagai plat datar setebal 1 cm yang tidak mempengaruhi aliran dalam simulasi. Plat datar tersebut dibagi dalam tiga area yang menggambarkan perbandingan jumlah ayam dalam tiap area seperti ditunjukkan pada gambar 5. Dua area inlet udara berada pada evaporative pad bagian depan didefinisikan sebagai environment pressure. Exhaust fan
didefinisikan sebagai outlet velocity. Sedangkan hubungan perbedaan tekanan (Pa) dan debit aliran tidak didefinisikan karena sudah diwakili dengan data kecepatan angin dan arah aliran didefinisikan tegak lurus terhadap permukaan fan. Keterbatasan definisi exhaust fan disebabkan karena data spesifikasi exhaust fan
Area I, 5940 ekor ayam Area II, 8910 ekor ayam Area III, 4950 ekor ayam Evaporative pad area udara masuk/inlet
Exhaust fan area udara keluar/outlet
27
yang digunakan di kandang tidak tersedia baik di modul engineering database software EFD Lab 2008 ataupun tercatat di kandang closed house tempat penelitian.
Pemilihan mesh menggunakan pilihan mesh tingkat 5 setelah melalui proses mesh dependency test. Jumlah seluruh cell yang terbentuk pada mesh tingkat 5 berjumlah 672.689 cells yang terdiri dari fluid cells berjumlah 469.648
cells dan solid cells berjumlah 31.696 cells dan iterasi dilakukan hingga global goals mencapai kovergen selama 420 kali iterasi.
Hasil simulasi ditampilkan dalam bentuk cut plot contour dan vector. Penyajian gambar hasil simulasi tampak atas ditampilkan pada ketinggian 0,25 meter, 0,45 meter, dan 1,7 meter untuk menunjukkan adanya perbedaan profil pada setiap ketinggian. Profil pada ketinggian 0,25 meter dapat juga mewakili ketinggian pada daerah habitat ayam sedangkan profil pada ketinggian 1,7 meter dapat mewakili ketinggian manusia ketika berdiri.
Gambar 6. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi aliran udara pada inlet
Pada gambar 6 menggambarkan udara masuk dari dua ujung evaporatif pad karena adanya hisapan dari exhaust fan yang bekerja. Terjadi desakan udara pada ujung evaporative pad sehingga timbul drag force. Drag force adalah gaya dari fluida yang mendesak suatu benda pada arah aliran fluida tersebut (Cengel dan Turner, 2001). Aliran udara masuk yang tertahan itu disebabkan adanya sudut pada ruang pemisah antara evaporative pad dan kandang. Pemberian ruang
Drag force
Daerah separasi aliran
Drag force Daerah pertemuan dua aliran udara
28
pemisah berfungsi untuk mengeliminir efek wind chill (anonim, 2007). Efek wind chill adalah penurunan suhu yang drastis dirasakan oleh ayam karena hembusan angin yang terlalu kencang. Akibat timbulnya drag force pada sudut di ruang pemisah, menyebabkan adanya flow separation atau pemisahan aliran. Pemisahan aliran adalah fenomena ketika aliran fluida berpisah dari permukaan benda setelah sebelumnya aliran mengikuti kontur permukaan benda tersebut. Area pemisahan ini tergantung dari beberapa faktor seperti bilangan reynold dan kekasaran permukaan benda. Makin besar tekanan akibat drag force maka makin besar pula daerah pemisahan aliran yang terjadi (Cengel dan Turner, 2001). Penurunan kecepatan aliran terjadi pada daerah separasi. Di luar daerah separasi, kecepatan aliran udara bertambah karena adanya pertemuan antara dua aliran udara dari kedua ujung evaporative pad. Ketika aliran udara menabrak sudut dinding pemisah meyebabkan aliran terdesak pada daerah pertemuan dua aliran udara. Pada area ini kecepatan aliran udara bertambah karena berkurangnya daerah efektif aliran.
Gambar 7. Cut plot contour parameter kecepatan udara pada iterasi ke-330 tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang
29
Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada iterasi ke-420 parameter kecepatan udara tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang
Setelah aliran udara masuk melewati inlet dan bertumbukan sehingga menyebabkan bertambahnya kecepatan di area pertemuan dua aliran yang masuk dari inlet, aliran udara menjadi terganggu sebelum akhirnya membentuk aliran berkembang penuh. Gangguan pada aliran udara ini disebabkan karena adanya tumbukan dua aliran udara dari dua inlet yang berbeda. Pada gambar 7 tampak aliran udara menabrak dinding kandang sehingga aliran udara tersebut tidak membentuk aliran berkembang penuh. Aliran berkembang penuh atau fully development flow adalah suatu profil aliran dimana profil alirannya konstan atau stabil (Cengel dan Turner, 2001). Aliran udara yang tidak stabil itu membentuk gelombang yang berubah-rubah tiap waktu. Pada gambar 7 menggambarkan pada ketinggian 0,25 meter dan 0,45 meter kecepatan aliran udara semakin merata dan kecepatan alirannya semakin rendah. Hal ini disebabkan karena letak profil aliran
