SIMULASI SEBARAN SUHU UDARA DAN PERMUKAAN LANTAI RUMAH TANAMAN DENGAN MENGGUNAKAN
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
SKRIPSI
NURUL FUADAH F14080049
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
SIMULATION OF THE AIR AND SURFACE TEMPERATURE DISTRIBUTION ON THE FLOOR OF GREENHOUSE BY USING
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Nurul Fuadah and Herry Suhardiyanto
Department of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Dramaga Bogor, PO Box 220, Bogor, West Java,
Indonesia
Phone 62 852 68523275, e-mail: nfuadah@ymail.com
ABSTRACT
Temperature is one of important factors in plant growing. Distribution of temperature that occurs in the greenhouse should be used as the basic consideration for designing a greenhouse.
Floor is one of important governing factors that affect temperature distribution. The air and surface temperature distribution on the floor greenhouse can be simulated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The simulation was applied to a naturally ventilated standard peak greenhouse. Measured floor surface temperature were 26.3–47.7 oC and air temperature at 45 cm above the floor surface were 23.5–39.2 oC. Simulated floor surface temperature were 26.41–39.89
oC and air temperature at 45 cm above the floor surface were 25.43–36.40 oC. Validation of the model had been done by calculating accuration and linear regression analysis. The simulation showed the accuracy 91.18-99.66% at the minimum solar radiation (0 W/m2) and 90.79-99.92% at maximum solar radiation (1,092 W/m2), and resulting a high value of coefficient of determination (0.946-0.947). Results show that the model performed well in simulating the air and surface temperature distribution on the floor of greenhouse, as compared to that of the measured value. It also show that CFD could be used to predict convective heat transfer and airflow pattern on the floor of greenhouse, accurately.
Keywords : temperature, heat transfer, Computational Fluid Dynamics (CFD), floor
NURUL FUADAH. F14080049. Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Herry Suhardiyanto. 2012
RINGKASAN
Teknologi rumah tanaman adalah salah satu wujud hasil pengembangan teknologi budidaya pertanian dengan memberikan kondisi lingkungan yang mendekati optimum bagi pertumbuhan tanaman. Bangunan rumah tanaman mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas secara konduksi, konveksi maupun radiasi. Perpindahan panas ini terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Lantai adalah salah satu komponen utama keseimbangan panas rumah tanaman. Pada rumah tanaman, luas permukaan yang melakukan dasar pertukaran panas adalah dinding dan atap. Perbandingan luas permukaan ini dengan luasan lantai dapat mempengaruhi perubahan suhu di dalam rumah tanaman. Pada luasan lantai yang tetap, pertambahan tinggi luas permukaan tersebut akan meningkatkan proses pertukaran panas dan rendahnya luas permukaan tersebut akan menurunkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman.
Mengingat sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat mempengaruhi pola pindah panas secara konveksi dan merupakan suatu hal yang sangat penting di dalam rumah tanaman, maka perlu dilakukan penelitian tentang suatu simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD). Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: Melakukan simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD); Mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman sebagai komponen rumah tanaman yang menerima radiasi matahari; Mempelajari aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman akibat pindah panas konveksi antara permukaan lantai dan udara di dalam rumah tanaman.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat dilakukan dengan menggunakan CFD. Suhu permukaan lantai hasil pengukuran berkisar 26.3–47.7 oC dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar 23.5–39.2 oC, sedangkan suhu permukaan lantai hasil simulasi yag dihasilkan berkisar 26.41–39.89 oC dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar 25.43–36.40 oC. Kemudian dilakukan validasi hasil simulasi sebaran suhu, dimana diperoleh nilai yang akurat yaitu berkisar 91.18-99.66% untuk radiasi matahari minimum (0 W/m2) dan 90.79- 99.92% untuk radiasi matahari maksimum (1,092 W/m2).
Hasil validasi menunjukkan hasil yang baik untuk sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, dan dapat memprediksi pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Nilai pindah panas pada saat radiasi minimum yang dihasilkan berkisar 0.30-18.49 W dan pada saat radiasi maksimum berkisar 2.36-24.12 W. Selain itu, dapat dipelajari pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dan fungsi ventilasi untuk proses pertukaran udara dapat dibuktikan terjadi di dalam rumah tanaman.
SIMULASI SEBARAN SUHU UDARA DAN PERMUKAAN LANTAI RUMAH TANAMAN DENGAN MENGGUNAKAN
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor
Oleh
NURUL FUADAH F14080049
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
Judul Skripsi : Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)
Nama : Nurul Fuadah NIM : F14080049
Menyetujui, Pembimbing Akademik,
Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc.
NIP. 19590910 198503 1 003
Mengetahui,
Ketua Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,
Dr. Ir. Desrial, M.Eng.
NIP. 19661201 199103 1 004
Tanggal lulus:
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada 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.
Bogor, Nopember 2012 Yang membuat pernyataan
Nurul Fuadah F14080049
© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2012 Hak cipta dilindungi
Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari
Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya.
BIODATA PENULIS
Nurul Fuadah, lahir di Baturusa, 23 Februari 1991 dari pasangan Bapak Agusman Muhammad dan Ibu Farida, sebagai putri keenam dari sembilan bersaudara. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2008 dari SMAN 4 Pangkalpinang, Bangka dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif berorganisasi sebagai pengurus Ikatan Mahasiswa Bangka (ISBA), dan aktif mengikuti berbagai kepanitian yang diselenggarakan baik oleh Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakutas Teknologi pertanian, dan Umum.
Selain itu, penulis juga sering mengikuti seminar dan pelatihan yang diadakan oleh IPB dan luar IPB. Penulis merupakan salah satu asisten praktikum di mata kuliah Teknologi Greenhouse dan Hidroponik pada tahun 2012.
Penulis melakukan Praktik Lapangan (PL) pada tahun 2011 di PT Alam Makmur Sembada, Bekasi dengan judul “Aspek Pengendalian Lingkungan dalam Proses Penyimpanan Beras di PT Alam Makmur Sembada, Bekasi” di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan skripsi dengan judul “Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)” di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc.
iii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadhirat Allah SWT atas karunia-Nya sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Penelitian dengan judul “Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)” dilaksanakan di Laboratorium Lapangan, Leuwikopo dan Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem, Institut Pertanian Bogor sejak bulan Maret 2012 sampai Juli 2012.
Dengan telah selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Orang tua penulis, H. Agusman Muhammad dan Hj. Farida serta ayuk dan adik tercinta atas pengorbanan, dukungan, motivasi dan do’a kepada penulis.
2. Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. sebagai dosen pembimbing akademik penulis atas bimbingannya selama kuliah, penelitian dan penyusunan skripsi.
3. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Agr dan Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran dan bimbingan kepada penulis.
4. Muhammad Soleh dan Ristiani atas semangat, waktu, bantuan, kesabaran menemani penulis.
5. Bapak Ahmad, Mas Dharma, Kak Agus, Ibu Eni dan seluruh keluarga Teknik Lingkungan Biosistem atas bantuannya selama penelitian.
6. Teman seperjuangan penulis Aulia dan Deri atas perjuangan dan kesabarannya.
7. Keluarga Magenta 45 dan Wisma Wina atas bantuan dan semangatnya kepada penulis.
8. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu penulis selama menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini.
Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang Teknik Lingkungan Biosistem khususnya rumah tanaman.
Bogor, Nopember 2012
Penulis
iv
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... iv
DAFTAR TABEL ... v
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan ... 2
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3
2.1 Iklim Mikro Rumah Tanaman Daerah Tropika Basah ... 3
2.2 Pindah Panas ... 4
2.3 Konveksi Bebas ... 5
2.4 Simulasi Komputer ... 6
2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 7
2.6 Penelitian-penelitian Terkait ... 8
III. METODOLOGI PENELITIAN ... 10
3.1 Tempat dan Waktu... 10
3.2 Alat dan Bahan ... 10
3.3 Metode Penelitian ... 12
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 23
4.1 Perubahan Suhu Udara dan Suhu Permukaan Lantai Rumah Tanaman ... 23
4.2 Simulasi dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 25
4.3 Validasi Hasil Simulasi Suhu ... 33
4.4 Pindah Panas Konveksi dan Pola Aliran Udara di Atas Permukaan Lantai Rumah Tanaman... 37
V. SIMPULAN DAN SARAN ... 46
5.1 Simpulan ... 46
5.2 Saran ... 46
DAFTAR PUSTAKA ... 47
LAMPIRAN ... 49
v
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Masukan kondisi awal rumah tanaman ... 17
Tabel 2. Daerah perhitungan dalam simulasi ... 21
Tabel 3. Sifat bahan yang dimasukkan ke dalam data teknik Solidworks® ... 21
Tabel 4. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 0 W/m2 ... 34
Tabel 5. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 1,092 W/m2 .... 35
Tabel 6. Pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman ... 38
vi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Pindah panas konveksi pada permukaan horizontal ... 6
Gambar 2. Rumah tanaman tipe modified standard peak yang digunakan dalam penelitian . 10 Gambar 3. Arah orientasi rumah tanaman ... 11
Gambar 4. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak atas (satuan m) ... 12
Gambar 5. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak depan (satuan m) ... 13
Gambar 6. Weather station dan Wireless Vantage Pro2 untuk pengukuran ... 14
Gambar 7. Termokopel yang dihubungkan ke hybrid recorder untuk pengukuran suhu ... 14
Gambar 8. Pegukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman ... 15
Gambar 9. Diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD ... 16
Gambar 10. Geometri rumah tanaman dan daerah perhitungan model simulasi ... 17
Gambar 11. Tipe analisis dan nilai masukan radiasi matahari untuk Kasus 1 ... 18
Gambar 12. Pengaturan fluida yang dianalisis dan tipe aliran pada Kasus 1 ... 19
Gambar 13. Pengaturan material pada Kasus 1 ... 19
Gambar 14. Kondisi batas pada Kasus 1 ... 20
Gambar 15. Kondisi awal pada Kasus 1... 20
Gambar 16. Perubahan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012) ... 23
Gambar 17. Perubahan radiasi matahari di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012) ... 24
Gambar 18. Perubahan suhu permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) ... 24
Gambar 19. Perubahan suhu udara 45 cm di atas permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) ... 25
Gambar 20. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 26
Gambar 21. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) 2.925 m dan (c) 5.05 m... 27
Gambar 22. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 28
Gambar 23. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) 2.925 m dan (c) 5.05 m ... 29
Gambar 24. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 30
Gambar 25. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) 2.925 m dan (c) 5.05 m... 31
Gambar 26. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 32
Gambar 27. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) 2.925 m dan (c) 5.05 m ... 33
vii Gambar 28. Grafik validasi suhu permukaan lantai rumah tanaman... 36 Gambar 29. Grafik validasi suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman ... 36 Gambar 30. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m2
tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 38 Gambar 31. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m2
tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) 2.925 m dan
(c) 5.05 m ... 39 Gambar 32. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi
matahari 0 W/m2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m
dan (c) 10.5 m ... 40 Gambar 33. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi
matahari 0 W/m2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m,
(b) 2.925 m dan (c) 5.05 m ... 41 Gambar 34. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m2
tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 42 Gambar 35. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m2
tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) 2.925 m dan
(c) 5.05 m ... 43 Gambar 36. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi
matahari 1,092 W/m2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m,
(b) 6 m dan (c) 10.5 m ... 44 Gambar 37. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi
matahari 1,092 W/m2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (d) 0.8 m,
(e) 2.925 m dan (f) 5.05 m ... 45
viii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1. Gambar teknik rumah tanaman tipe modified standard peak ... 50 Lampiran 2. Titik-titik pengukuran suhu 0 m di atas permukaan lantai rumah tanaman ... 51 Lampiran 3. Titik-titik pengukuran suhu 0.45 m di atas permukaan lantai rumah tanaman .. 52 Lampiran 4. Properties udara pada saat tekanan 1 atmosfer ... 53 Lampiran 5. Data kondisi lingkungan di dalam rumah tanaman pada tanggal 30 Maret 2012 54 Lampiran 6. Data kondisi lingkungan di luar rumah tanaman pada tanggal 30 Maret 2012 . 55 Lampiran 7. Data hasil pengukuran suhu 0 m di atas permukaan lantai rumah tanaman
pada tanggal 30 Maret 2012 ... 56 Lampiran 8. Data hasil pengukuran suhu 0.45 m di atas permukaan lantai rumah tanaman
pada tanggal 30 Maret 2012 ... 57 Lampiran 9. Contoh perhitungan pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah
tanaman ... 58
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Teknologi greenhouse adalah salah satu teknologi pada budidaya pertanian dengan memberikan kondisi lingkungan yang mendekati optimum bagi pertumbuhan tanaman. Teknologi ini merupakan adopsi dari daerah subtropika dan diaplikasikan di Indonesia yang beriklim tropika basah dengan fungsi tidak untuk melindungi tanaman dari suhu udara yang rendah, tetapi lebih sebagai bangunan perlindungan tanaman. Oleh karena itu, istilah rumah tanaman sangat sesuai sebagai terjemahan dari greenhouse (Suhardiyanto 2009). Konstruksi greenhouse di daerah subtropika dan rumah tanaman di daerah tropika basah tentunya berbeda. Perbedaan ini disebabkan oleh konstruksi rumah tanaman dengan rancangan struktur bangunan yang sama, namun dibangun pada iklim yang berbeda akan memiliki kondisi iklim mikro yang berbeda pula.
Perbedaan laju dan arah pertukaran panas yang terjadi antara bangunan rumah tanaman dan lingkungan sekitarnya merupakan salah satu penyebab berbedanya iklim mikro di dalam rumah tanaman. Bangunan rumah tanaman akan mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas baik itu secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini dapat terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman.
Lantai adalah salah satu komponen utama dalam rumah tanaman. Lantai berfungsi sebagai tempat sebagian besar kegiatan budidaya tanaman. Selain itu, lantai juga mempunyai fungsi yang berhubungan erat dengan perpindahan panas. Pada rumah tanaman, luas permukaan yang melakukan dasar pertukaran panas adalah dinding dan atap. Perbandingan luas permukaan ini dengan luasan lantai dapat mempengaruhi perubahan suhu di dalam rumah tanaman. Pada luasan lantai yang tetap, pertambahan tinggi luas permukaan tersebut akan meningkatkan proses pertukaran panas dan rendahnya luas permukaan tersebut akan menurunkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman.
Pindah panas merupakan proses perpindahan panas dari material atau benda karena adanya perbedaan suhu. Proses pindah panas dapat terjadi secara radiasi (sinaran), konveksi dan konduksi (hantaran). Proses pindah panas di permukaan lantai rumah tanaman dengan udara di dalam rumah tanaman terjadi secara konveksi. Pada dasarnya aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari-hari, misalnya pengkondisian bangunan dan mobil, interaksi berbagai objek dengan udara/air, termasuk juga proses pindah panas ini, yang sangat menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk itu, dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi secara cepat dan akurat. Maka, berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD).
CFD dapat memprediksi aliran, perpindahan panas, reaksi kimia dan peristiwa lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika yang membentuk model matematika.
Mengingat sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat mempengaruhi pola pindah panas secara konveksi dan merupakan suatu hal yang sangat penting di dalam rumah tanaman, maka perlu dilakukan penelitian mengenai suatu simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD).
2
1.2 Tujuan
Penelitian ini bertujuan untuk:
a. Melakukan simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD).
b. Mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman sebagai komponen rumah tanaman yang menerima radiasi matahari.
c. Mempelajari aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman akibat pindah panas konveksi antara permukaan lantai dan udara di dalam rumah tanaman.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Iklim Mikro Rumah Tanaman Daerah Tropika Basah
Iklim merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi perancangan bangunan. Sebuah bangunan seharusnya dapat mengurangi pengaruh iklim yang merugikan dan memanfaatkan pengaruhnya yang menguntungkan bagi pengguna bangunan. Faktor iklim tersebut meliputi radiasi dan cahaya matahari, suhu dan kelembaban udara, arah dan kecepatan angin serta kondisi langit. Bagaimana pengaruh faktor-faktor tersebut terhadap bangunan perlu diteliti untuk mendapatkan kondisi lingkungan di dalam bangunan, khususnya kondisi termal dan visual yang diinginkan pengguna bangunan. Kondisi termal yang akan terjadi di dalam bangunan akan ditentukan oleh kinerja termal dari bangunan dan kondisi iklim dimana bangunan berada. Seperti di Indonesia dengan ciri iklim yang tropis lembab memiliki suhu udara yang relatif panas, intensitas radiasi matahari dan kelembaban udara yang tinggi (Soegijanto 1999).
Nelson (1981) mendefinisikan greenhouse sebagai suatu bangunan yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya yang memungkinkan bagi cahaya yang dibutuhkan tanaman bisa masuk dan tanaman terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan, seperti hujan deras, tiupan angin kencang dan keadaan suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi yang dapat menghambat pertumbuhan tanaman.
Menurut Suhardiyanto (2009), pada daerah tropika (basah), fenomena greenhouse ini dapat dimanfaatkan dan istilah greenhouse yang mulanya dibangun di wilayah subtropika sebagian besar dari bahan kaca, kurang tepat untuk wilayah tropika basah. Agar lebih mencerminkan fungsi greenhouse sebagai bangunan perlindungan tanaman, maka dikenal istilah rumah tanaman.
Rumah tanaman umumnya mempunyai struktur yang hampir sama dengan bangunan.
Menurut Suhardiyanto (2009), komponen rumah tanaman terdiri dari pondasi, balok, kolom, dinding, atap dan lantai. Semua komponen ini mempunyai fungsi masing-masing. Pondasi berfungsi sebagai pendukung beban bangunan dan menyalurkan beban tersebut ke dalam tanah.
Kolom berfungsi sebagai tiang pembentuk struktur dan penopang beban atap. Balok berfungsi sebagai pengikat antar kolom dan memperkokoh bangunan. Atap berfungsi untuk melindungi tanaman dari pengaruh iklim dan bagian atap terdiri dari kuda-kuda, rangka atap dan penutup atap.
Dinding berfungsi untuk melindungi tanaman dari angin, hama, hujan dan debu. Lantai berfungsi untuk memperkuat permukaan lantai.
Suhu merupakan salah satu faktor yang sangat penting dalam pengendalian iklim mikro.
Suhu adalah derajat dari panas sensibel atau intensitas, sedangkan panas adalah bentuk dari energi.
Suhu bisa dijadikan gagasan dalam pengendalian transfer energi dan menjadi pengukuran umum di dalam rumah tanaman. Selang suhu untuk produksi tanaman dalam rumah tanaman relatif terbatas dari 10–30 oC untuk hampir semua jenis kecuali untuk masalah tertentu. Model Takakura untuk struktur unheated menunjukkan besarnya jeda waktu perubahan suhu di luar dan jeda waktu perubahan suhu di dalam rumah tanaman memperlihatkan peningkatan perbandingan luasan lantai terhadap luasan atap, dan penurunan perbandingan volume udara terhadap lantai (Hanan 1998).
Menurut Schroeder (2000), suhu adalah ukuran dari kecenderungan suatu objek yang secara spontan memberikan energi untuk sekitarnya. Ketika dua objek melakukan kontak secara termal, salah satu yang cenderung spontan kehilangan energi adalah pada suhu yang lebih tinggi.
Alasan dasar untuk menggunakan rumah tanaman adalah mengatur suhu untuk pertumbuhan tanaman. Salah satu masalah utama adalah menjaga suhu tetap stabil/dingin. Panas
4 dalam rumah tanaman meningkat karena dua sebab, yaitu: karena “greenhouse effect” dan struktur rumah tanaman yang cenderung lebih tertutup. Sebagian besar kenaikan suhu di dalam rumah tanaman dihasilkan dari fakta mengenai struktur rumah tanaman yang tertutup dan pindah panas dari pergerakan udara turbulen yang berkurang. Selain itu, kecepatan angin juga selalu mempengaruhi peningkatan suhu (Mastalerz 1977).
Bangunan rumah tanaman mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Prinsip-prinsip perpindahan panas dapat menjadi dasar dalam perancangan panas tersebut dan prediksi kondisi lingkungan termal di dalam rumah tanaman dapat dilakukan, yaitu menggunakan model matematika yang menerangkan keseimbangan panas pada rumah tanaman. Hubungan antara kondisi lingkungan termal dengan salah satu elemen rancangan rumah tanaman yang penting dan mendasar adalah faktor lantai.
Lantai dijadikan pembanding dalam hal penentuan luas ventilasi rumah tanaman (Suhardiyanto 2009).
Suhardiyanto (2009) juga menyatakan bahwa bangunan rumah tanaman berinteraksi dengan kondisi lingkungan termal di sekitar rumah tanaman menghasilkan lingkungan yang unik di dalam rumah tanaman. Komponen-komponen yang penting dari interaksi tersebut dapat digambarkan secara sederhana dalam sebuah model sehingga hubungan sebab akibat komponen penyusun tersebut dapat dijelaskan dengan baik. Perancangan rumah tanaman dapat dilakukan dengan mudah jika model pindah panas pada rumah tanaman telah dibangun. Model pindah panas tersebut menerangkan hubungan antara elemen rancangan dengan lingkungan termal pertumbuhan tanaman di dalam rumah tanaman. Model ini juga dapat menjadi dasar simulasi menggunakan komputer untuk memprediksi lingkungan termal di dalam rumah tanaman.
2.2 Pindah Panas
Menurut Schroeder (2000), energi adalah konsep dinamis yang paling mendasar dalam semua ilmu fisika, dan panas didefinisikan sebagai aliran energi yang spontan dari suatu objek ke objek lainnya, yang disebabkan oleh perbedaan suhu diantara objek tersebut. Mastalerz (1977) menyatakan bahwa energi panas atau termal didefinisikan sebagai energi yang ditransferkan diantara dua sistem yang mempunyai suhu yang berbeda. Panas dapat ditransmisikan melalui konduksi, konveksi dan radiasi.
Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas atau cairan, atau diantara objek yang sama yang bersentuhan langsung; panas dikonduksikan dari molekul yang mempunyai energi panas tinggi ke molekul yang mempunyai energi panas rendah (Mastalerz 1977). Besarnya laju aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan Hukum Fourier seperti pada Persamaan 1.
qkond = - k A (𝑑𝑇
𝑑𝑥) = k A 𝑇1−𝑇2
𝑑𝑥 ... (1) dimana, qkond adalah laju pindah panas secara konduksi (W/m2), A adalah luas penampang suatu bidang (m2) dan ΔT adalah perubahan suhu diantara dua permukaan (oC).
Konveksi adalah perpindahan massa dari gas atau cairan yang panas ke suatu area yang lebih dingin; seperti pergerakan udara panas diseluruh bagian rumah tanaman terjadi karena konveksi (Mastalerz 1977).
Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan berdasarkan Hukum Newton yang tertera pada Persamaan 2.
qkonv = h A (Ts – T~)... (2)
5 dimana, qkonv adalah laju pindah panas secara konveksi (W/m2), h adalah koefisien pindah panas konveksi (W/m2oC), Ts adalah suhu permukaan bidang (oC) dan T~ adalah suhu pada jarak tertentu dari permukaan bidang (oC).
Radiasi adalah perpindahan panas yang melewati suatu tempat dalam bentuk energi radiasi panas (Mastalerz 1977). Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi dihitung berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann yang dinyatakan pada Persamaan 3.
qr = σεATs4
... (3) dimana, qr adalah laju pindah panas secara radiasi (W/m2), σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10-8 (W/m2K4).
Menurut Soegijanto (1999), bangunan akan mendapat perolehan panas dan mengeluarkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Besarnya perpindahan panas yang terjadi pada bangunan dipengaruhi oleh sifat-sifat termofisika dari bahan bangunan. Sifat-sifat tersebut adalah konduktivitas panas dari bahan bangunan (k), konduktansi dari bahan bangunan dari rongga udara (Ck), konduktansi permukaan (h), kapasitas panas spesifik dari bahan bangunan (cp), emitansi (ε) dan absorptansi (α) untuk radiasi gelombang panjang. Selain sifat termofisik, sifat fisika yang berpengaruh terhadap besarnya perpindahan panas adalah kepadatan massa atau densitas (kg/m3) dan tebal bahan (m).
Diantara semua sifat tersebut, ada beberapa sifat yang digunakan sebagai masukan dasar untuk definisi material dalam simulasi CFD, yaitu konduktivitas panas (k), kapasitas panas spesifik dari bahan bangunan (cp) dan kepadatan massa atau densitas (kg/m3). Menurut Satwiko (2009), konduktivitas panas adalah bilangan yang menunjukkan besar panas (Watt) yang mengalir melalui bahan setebal satu meter (1 m), seluas satu meter persegi (1 m2) dengan perbedaan suhu antara kedua sisi permukaan satu derajat celcius (1 oC). Pengguna seringkali memerlukan bahan dengan tebal nyata, maka dibuatlah istilah konduktan yang merupakan konduktivitas dengan tebal tertentu (bukan 1 m). Hal ini karena pada kehidupan nyata, tebal 1 m tidak selalu digunakan. Dimana, konduktan = k/b (b adalah tebal bahan normal), dengan satuan W/m2 oC.
Kapasitas panas spesifik bahan adalah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari satu satuan massa dari bahan sebesar 1 oC. Kapasitas panas dari bahan selubung bangunan sangat berpengaruh pada kondisi termal di dalam bangunan untuk bangunan yang menggunakan pengendalian pasif. Tetapi, bangunan yang menggunakan pengendalian aktif, kapasitas panas kurang berpengaruh (Soegijanto 1999). Kepadatan massa atau densitas adalah perbandingan beratnya massa bahan per satuan volume total bahan tersebut.
2.3 Konveksi Bebas
Perpindahan panas konveksi bebas terjadi bilamana sebuah benda ditempatkan dalam suatu fluida yang suhunya lebih tinggi atau lebih rendah daripada benda tersebut. Akibat dari perbedaan suhu tersebut, panas mengalir antara fluida dan benda tersebut serta mengakibatkan perubahan kerapatan lapisan-lapisan fluida di dekat permukaan. Perbedaan kerapatan menyebabkan fluida yang lebih berat mengalir ke bawah dan fluida yang lebih ringan mengalir ke atas. Jika gerakan fluida tersebut disebabkan hanya oleh perbedaan kerapatan yang diakibatkan oleh gradien suhu, tanpa dibantu pompa atau kipas, maka mekanisme perpindahan panas yang bersangkutan disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (Kreith 1986).
Menurut Cengel (2003), pergerakan fluida pada konveksi alami terjadi karena perbedaan suhu. Pindah panas secara konveksi ini dapat terjadi secara horizontal maupun vertikal. Tahapan penentuan pindah panas konveksi yang penting adalah perlu ditentukannya koefisien pindah panas
6 konveksi (h) antara lantai dan udara di dalam rumah tanaman. Lantai rumah tanaman dapat menyerap dan melepaskan panas dari atau ke lingkungan sekitar (udara di dalam rumah tanaman) secara konveksi. Proses pindah panas secara konveksi yang terjadi pada permukaan horizonal dapat dilihat pada Gambar 1.
Ts T~ Permukaan Panas
Gambar 1. Pindah panas konveksi pada permukaan horizontal
Koefisien pindah panas konveksi diperoleh dengan beberapa tahap perhitungan. Pertama, menentukan nilai Rayleigh (Ral) yang dinyatakan pada Persamaan 4.
Ral = GrL Pr = 𝑔 𝛽 (𝑇𝑠−𝑇~)𝐿𝑐
3
𝑣 𝑃𝑟 ... (4) dimana, Ral adalah bilangan Rayleigh, GrL adalah bilangan Grashof, g adalah gaya gravitasi (m/det2), β adalah koefisien ekspansi dari volume gas ideal (l/K), v adalah viskositas kinematik udara (m2/det), Pr adalah bilangan Prandtl, dan Lc adalah panjang karakteristik dari geometri (m).
Untuk nilai v dan Pr dikutip dari Cengel (2003) Tabel A-15 (Lampiran 4) berdasarkan pembacaan T dan β = 1/Tf (Tf= [(½(Ts + T~))+273]) serta Lc diketahui dari Persamaan 5.
Lc = As / P ... (5) dimana, P adalah perimeter atau keliling medium (m) dan As adalah luas penampang medium (m2).
Untuk permukaan persegi panjang horizontal dengan panjang a, nilai Lc = a/4. Setelah itu, menentukan bilangan Nusselt (Nu) untuk lantai dari Persamaan 6 dan 7 (Cengel 2003).
Nu = 0.54 Ral1/4
, untuk 104 < Ral < 107 ... (6) Nu = 0.15 Ral1/3
, untuk 107 < Ral < 1011 ... (7) Kemudian dihitung nilai h (W/m2oC) dengan menggunakan Persamaan 8.
h = 𝑘
𝐿𝑐 Nu ... (8) dimana, k adalah konduktivitas termal udara (W/m oC) dan Nu adalah bilangan Nusselt. Laju perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan Persamaan 9.
qkonv = h A (Ts – T~) ... (9) dimana, qkonv adalah pindah panas konveksi (W/m2), h adalah koefisien pindah panas konveksi (W/m2 oC), Ts adalah suhu permukaan bidang (oC) dan T~ adalah suhu pada jarak tertentu dari permukaan bidang (oC).
2.4 Simulasi Komputer
Simulasi adalah program (software) komputer yang berfungsi untuk menirukan perilaku sistem nyata (realitas) tertentu. Tujuan simulasi antara lain untuk pelatihan, studi perilaku sistem dan hiburan atau permainan. Studi informatika yang mendukung simulasi komputer, antara lain:
pemodelan dan simulasi, teori sistem, rekayasa perangkat lunak dan grafik animasi komputer.
Proses tahapan dalam mengembangkan simulasi komputer adalah sebagai berikut: memahami
7 sistem yang akan disimulasikan; mengembangkan model matematika dari sistem; mengembangkan model matematika untuk simulasi; membuat program (software) komputer; menguji, memverifikasi dan memvalidasi keluaran simulasi; dan mengeksekusi program simulasi untuk tujuan tertentu (Sridadi 2011).
2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu analisis sistem yang meliputi aliran fluida, pindah panas dan massa, serta fenomena lain seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi berbasis komputer (Versteeg dan Malalasekerta 1995). CFD dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu “computational” yang berarti segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metoda numerik atau komputasi, dan “fluid dynamics” yang berati dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (Tuakia 2008).
Suatu analisis CFD memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Perangkat lunak ini dapat membuat virtual prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan; CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari informasi keandalan sistem yang didesain. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang dimasukkan) (Tuakia 2008).
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan dalam simulasi CFD, yaitu pre- processor, solver dan post-processor. Pre-processor merupakan bagian input dari permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator (Versteeg dan Malalasekerta 1995). Hal-hal yang dilakukan dalam tahap ini adalah:
a. Mendefinisikan geometri dari domain yang akan dianalisis;
b. Pembentukan grid (meshing) pada setiap domain;
c. Pemilihan fenomena kimia-fisika yang diinginkan;
d. Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa jenis, panas jenis dan sebagainya);
e. Menentukan kondisi batas (boundary condition).
Proses solver merupakan tahapan pemecahan masalah secara matematik dalam CFD. Pada proses solver, terdapat tiga persamaan aliran fluida yang menyatakan hukum kekekalan fisika (Versteeg dan Malalasekerta 1995), yaitu:
a. Massa fluida kekal (kekekalan massa fluida);
b. Laju perubahan momentum sama dengan resultan gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton);
c. Laju perubahan energi sama dengan resultan laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika).
Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju bersih aliran massa ke dalam elemen fluida. Semua elemen fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu, maka massa jenis fluida ρ ditulis dalam bentuk ρ (x, y, z, t) dan
8 komponen kecepatan fluida ditulis sebagai dx/dt=u, dy/dt=v dan dz/dt=w. Bentuk persamaan matematika untuk fluida yang tidak terkompresi dinyatakan pada Persamaan 10 (Versteeg dan Malalasekera 1995).
𝜕 (𝜌𝑢 )
𝜕𝑥 +𝜕(𝜌𝑣 )
𝜕𝑦 +𝜕 (𝜌𝑤 )
𝜕𝑧 = 0 ... (10) dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m3) dan x, y, z adalah arah koordinat kartesian.
Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes dalam bentuk sesuai dengan metode finite volume (Versteeg dan Malalasekera 1995), yang ditunjukkan pada Persamaan 11 sampai dengan Persamaan 13.
Momentum x:
𝜌 𝑢𝜕𝑢
𝜕𝑥 + 𝑣𝜕𝑢
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑢
𝜕𝑧 =𝜕𝑝
𝜕𝑥+ 𝜇 𝜕2𝑢
𝜕𝑥2+𝜕2𝑢
𝜕𝑦2+𝜕2𝑢
𝜕 𝑧2 + 𝑆𝑀𝑋 ... (11) Momentum y:
𝜌 𝑢𝜕𝑣
𝜕𝑥+ 𝑣𝜕𝑣
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑣
𝜕𝑧 =𝜕𝑝
𝜕𝑦+ 𝜇 𝜕2𝑣
𝜕𝑥2+𝜕2𝑣
𝜕𝑦2+𝜕2𝑣
𝜕𝑧2 + 𝑆𝑀𝑌 ... (12) Momentum z:
𝜌 𝑢𝜕𝑤
𝜕𝑥 + 𝑣𝜕𝑤
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑤
𝜕𝑧 =𝜕𝑝
𝜕𝑧 + 𝜇 𝜕2𝑤
𝜕𝑥2+𝜕2𝑤
𝜕 𝑦2+𝜕2𝑤
𝜕𝑧2 + 𝑆𝑀𝑍 ... (13) dimana µ adalah viskositas dinamik fluida (kg/m det) dan SMX, SMY, SMZ adalah momentum yang berasal dari body per unit volume per unit waktu, masing-masing untuk koordinat x, y dan z.
Persamaan energi diturunkan dari Hukum 1 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 pada Persamaan 14 (Versteeg dan Malalasekera 1995).
𝜌 𝑢𝜕𝑇
𝜕𝑥+ 𝑣𝜕𝑇
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑇
𝜕𝑧 = 𝑝 𝜕𝑢
𝜕𝑥 +𝜕𝑣
𝜕𝑦+𝜕𝑤
𝜕𝑧 + 𝑘 𝜕2𝑇
𝜕𝑥2+𝜕2𝑇
𝜕𝑦2+𝜕2𝑇
𝜕𝑧2 + 𝑆𝑖 ... (14) dimana: 𝜌 𝑢𝜕𝑢
𝜕𝑥+ 𝑣𝜕𝑢
𝜕𝑦+ 𝑤𝜕𝑢
𝜕𝑧 =𝜕𝑝
𝜕𝑥 + 𝜇 𝜕2𝑢
𝜕 𝑥2+𝜕2𝑢
𝜕𝑦2+𝜕2𝑢
𝜕𝑧2 + 𝑆𝑀𝑋 , p adalah tekanan fluida (Pa), k adalah konduktivitas termal fluida (W/m oC), T adalah suhu fluida (oC), dan Si adalah energi yang ditambahkan per unit volume per unit waktu.
Post-processor merupakan hasil akhir dari dua tahap sebelumnya. Hasil yang disajikan dapat berupa tampilan geometri domain dan mesh, plot vektor, plot permukaan dua dimensi dan tiga dimensi, serta pergerakan partikel (Versteeg dan Malalasekerta 1995).
2.6 Penelitian-penelitian terkait
Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk mempelajari karakteristik maupun kinerja rumah tanaman yang dibangun pada iklim tropika basah, khususnya di Indonesia. Penelitian- penelitian tersebut meliputi: simulasi distribusi suhu dan kelembaban udara untuk pengembangan desain rumah tanaman di daerah tropika basah (Romadonah 2011), research on greenhouse application in tropics (Suhardiyanto et al. 2007), analisis pola aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman standard peak menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) (Nurianingsih 2011) dan masih banyak penelitian lainnya.
Penelitian yang dilakukan oleh Suhardiyanto et al. (2007) difokuskan pada peningkatan performansi dari struktur rumah tanaman secara umum yang diantaranya melingkupi studi panas, ventilasi, desain (bentuk, dimensi dan susunan atap). Selain itu, konsep tentang struktur rumah
9 tanaman yang telah mengalami adaptasi, beberapa informasi tentang desain, pemilihan material dan konstruksi merupakan beberapa usulan untuk rumah tanaman di daerah tropika basah serta dijelaskan juga beberapa konsep rumah tanaman yang telah dikembangkan oleh para penelitinya.
Romadonah (2011) melakukan penelitian tentang pentingnya distribusi suhu dan kelembaban (RH) di rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD).
Suhu udara di dalam rumah tanaman pada ketinggian 1 m dari permukaan lantai berkisar antara 24.6–32.2 oC pada selang suhu udara lingkungan 23.0–32.2 oC. Perbedaan suhu udara lingkungan dengan suhu di dalam rumah tanaman tidak lebih dari 5 oC. Rata-rata RH di dalam rumah tanaman 87.79% dengan nilai terendah 64.85% dan maksimum 95.42%. Hasil simulasi menunjukkan terjadinya gradien suhu dan RH, namun tidak terlalu signifikan. Validasi terhadap nilai suhu udara dan RH hasil simulasi menghasilkan error masing-masing mencapai 12.81% dan 19.56%.
Penelitian lain yang menggunakan CFD dilakukan oleh Nurianingsih (2011), dimana fokus penelitiannya adalah menganalisa pola aliran dan distribusi suhu udara di rumah tanaman dan melakukan simulasi modifikasi desain rumah tanaman dengan mengubah kemiringan atap untuk mengetahui pengaruhnya terhadap distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Hasil penelitian ini menunjukan hasil yang optimal untuk pola aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman yang didukung oleh perolehan rata-rata error di bawah 5% untuk setiap kondisi kasus simulasi. Kemudian modifikasi kemiringan atap hanya mempengaruhi pergerakan dan suhu udara yang meningkat di sekitar atap, tetapi tidak mempengaruhi kenaikan suhu udara yang drastis di dalam rumah tanaman. Hasil CFD menunjukkan kemiringan atap 30o memiliki pola aliran dan distribusi udara yang optimal.
Berdasarkan penelitian-penelitian tersebut, peneliti mencoba untuk melakukan penelitian dengan fokusnya adalah simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman.
Kemudian dilanjutkan dengan validasi hasil simulasi sebaran suhu, dan CFD ini dapat dimanfaatkan untuk mempelajari serta menduga karakteristik pindah panas panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Selain itu, dari hasil CFD dapat dipelajari juga pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Pada akhirnya, diharapkan penelitian ini dapat memberikan masukan yang berguna untuk pengembangan struktur dan desain rumah tanaman kedepannya terutama mengenai studi panas.
III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu
Rumah tanaman yang digunakan terletak di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret 2012 sampai dengan bulan Juli 2012.
3.2 Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Rumah Tanaman
Rumah tanaman yang digunakan adalah rumah tanaman satu bentang dengan tipe modified standard peak sebanyak satu buah (Gambar 2). Rumah tanaman dibangun dengan orientasi Utara-Selatan. Gambar teknik rumah tanaman yang digunakan dapat dilihat pada Lampiran 1. Konstruksi rumah tanaman menggunakan rangka baja ringan sebagai tiang utama. Lantai rumah tanaman diplester keseluruhannya dan berukuran 6 m x 12 m. Atap rumah tanaman memiliki kemiringan 32o dan ditutup menggunakan Polycarbonate merk Solar Tuff setebal 0.8 mm. Rumah tanaman memiliki bukaan ventilasi pada dinding dan pada atap dengan orientasi sesuai dengan orientasi rumah tanaman (Utara-Selatan) serta menggunakan screen dengan ukuran 1 mm x 1 mm dan 12.25 mm x 12.25 mm sebagai ventilasinya. Arah orientasi rumah tanaman ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 2. Rumah tanaman tipe modified standard peak yang digunakan dalam penelitian
11 Gambar 3. Arah orientasi rumah tanaman
b. Meteran
Meteran digunakan untuk mengukur jarak titik-titik pengukuran pada penelitian.
c. Stasiun Cuaca (Weather Station)
Weather station merupakan rangkaian alat yang terdiri dari sensor kecepatan dan arah angin (anemometer), sensor suhu dan kelembaban, serta sensor radiasi matahari (pyranometer). Sensor ini dihubungkan pada translator dan nilai hasil dari pengukuran dapat ditampilkan pada layar display. Sensor-sensor tersebut melakukan pengukuran setiap detik.
Namun, waktu pengukuran dapat diatur sesuai kebutuhan peneliti.
d. Hybrid Recorder dan Sensor Termokopel
Hybrid Recorder berfungsi untuk mengkonversi pembacaan suhu dari sensor termokopel. Sensor ini diletakkan pada bagian yang diukur suhunya, yaitu lantai rumah tanaman dan langsung dihubungkan dengan hybrid recorder. Data suhu akan tersimpan secara otomatis di dalam hybrid recorder dan dapat diatur pembacaan suhunya sesuai pengulangan waktu yang dibutuhkan.
e. Termometer
Termometer merupakan alat ukur suhu yang paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Termometer yang digunakan adalah termometer bola basah dan termometer bola kering. Penggunaannya untuk mengukur suhu di dalam rumah tanaman dengan jeda waktu pembacaan suhu relatif lama dan digunakan sebagai pembanding pengukuran dengan menggunakan sensor termokopel.
f. Perangkat Lunak “SolidWorks®” dan Personal Computer (PC)
Perangkat Lunak “SolidWorks®” digunakan untuk membangun desain geometrik dan dapat bekerja untuk menganalisis suatu proses pindah panas dengan metode Computational
12 Fluid Dynamics (CFD). Perangkat lunak ini membutuhkan personal computer agar dapat dijalankan dan digunakan. Selain itu, PC dapat digunakan untuk semua proses yang berkaitan dengan pengolahan data, desain dan proses simulasi.
3.3 Metode Penelitian
3.3.1 Persiapan Penelitian
Persiapan penelitian meliputi kegiatan sterilisasi rumah tanaman dari kotoran, terutama membersihkan lantai rumah tanaman dan memasang termokopel sesuai dengan titik-titik pengukuran (Gambar 4 dan 5).
Gambar 4. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak atas (satuan m)
U
2.1 0.81.5
4.5
12
13 Gambar 5. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak depan (satuan m) 3.3.2 Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian mencakup beberapa hal penting, yaitu pengukuran parameter iklim mikro rumah tanaman, simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, validasi hasil simulasi suhu, analisis pindah panas konveksi dan analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman.
a. Pengukuran Parameter Iklim Mikro
Pengukuran parameter iklim mikro pada rumah tanaman meliputi pengukuran suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas pemukaan lantai, pengukuran radiasi matahari di dalam rumah tanaman, serta pengukuran parameter iklim mikro di luar rumah tanaman (suhu udara, radiasi matahari, kelembaban udara, curah hujan, tekanan udara dan kecepatan angin). Pengukuran dilakukan menggunakan weather station yang merekam data cuaca secara otomatis setiap 30 menit selama tiga hari untuk kondisi cuaca berawan, berangin, cerah dan hujan. Data yang digunakan untuk simulasi adalah pada saat radiasi matahari minimum dan maksimum.
Weather station dipasang di luar dan di dalam rumah tanaman, sedangkan wireless vantage pro2 untuk menyimpan data cuaca diletakkan di basecamp. Komputer kemudian mengunduh data tersebut dengan perangkat lunak weatherlink (Gambar 6).
2.1
4.2
14 Gambar 6. Weather station dan Wireless Vantage Pro2 untuk pengukuran
Pengukuran suhu (Tipe T) menggunakan sensor termokopel, dimana datanya direkam oleh hybrid recorder (Gambar 7). Titik-titik pengukuran suhu ini diletakkan pada bagian lantai yang memiliki pengaruh besar untuk proses pindah panas di dalam rumah tanaman dan titik-titik yang sensitif akibat adanya perubahan suhu udara di luar rumah tanaman. Jumlah titik-titik pengukuran sebanyak 20 titik yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Gambar 8 menunjukkan pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman.
Gambar 7. Termokopel yang dihubungkan ke hybrid recorder untuk pengukuran suhu
15 Gambar 8. Pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman
Pengambilan data hasil pengukuran dilakukan setiap 30 menit. Pengukuran dimulai pada pukul 06.00 hingga pukul 18.00. Hybrid recorder dipasang pada rentang pengambilan data setiap 1 menit dengan lama pengukuran 12 jam, akan tetapi data yang digunakan hanya rentang waktu setiap 30 menit. Untuk weather station, sensor suhu diatur dalam satuan oC, kecepatan angin dalam satuan m/detik, arah angin dalam satuan derajat.
b. Simulasi Sebaran Suhu Menggunakan CFD
Simulasi sebaran suhu dilakukan menggunakan CFD dengan perangkat lunak
“Solidworks®”. Model simulasi yang dilakukan sangat bergantung pada memori dan kecepatan processor komputer yang digunakan. Komputer yang digunakan adalah komputer dengan spesifikasi CPU intel® CoreTM i7; 12GB RAM; dan 64-bit Operating System.
Analisis yang dilakukan adalah analisis tiga dimensi terhadap aliran fluida dan termal khusus sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman pada kondisi tunak (3-dimensional steady state analysis). Asumsi yang digunakan dalam simulasi adalah:
1) Udara bergerak dalam keadaan steady.
2) Udara tidak terkompresi.
3) Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan.
4) Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.
Simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman tipe modified standard peak pada saat radiasi matahari minimum dan radiasi matahari maksimum. Data masukan kondisi awal dan kondisi batas simulasi disajikan pada Tabel 1, sedangkan diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD dijelaskan pada Gambar 9.
16 Gambar 9. Diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah
tanaman menggunakan CFD
Mulai Pembuatan geometri (part)
Pendefinisian material geometri
Penyusunan struktur geometri (assembly)
Set kondisi umum (ambien)
Set domain, boundary condition dan goal parameter
Pre-processor
Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter
Selesai
Post-processor Ya
Run
Meshing
Calculation
Konvergen Tidak
Solver
17 Tabel 1. Masukan kondisi awal rumah tanaman
Masukan Kasus
1 2
Kondisi Awal
Suhu lingkungan (oC) 25.7 33.9
Suhu material padat (oC) 26.3 38.5
RH lingkungan (%) 92.14 51.68
Kecepatan angin (m/detik) 0 1.29
Arah angin - Timur laut
Radiasi matahari (W/m2) 0 1,092
Waktu (WIB) 06:00 12:00
Media berpori (Kassa belakang)
Jenis Kawat kassa
Porositas kassa 0.4133
Tipe permeabilitas Isotropik
Resistance calculation formula Pressure Drop, Flowrate, Dimensions
Panjang 4.92 m
Luas 6.8388 m2
Langkah-langkah proses simulasi menggunakan perangkat lunak “Solidworks®”
adalah sebagai berikut :
1) Pembuatan geometri rumah tanaman
Dimensi rumah tanaman yang digunakan untuk pembuatan geometri ini adalah kondisi yang sebenarnya sesuai dengan gambar teknik pembangunan rumah tanaman yang mendekati kenyataan di lapangan. Setelah geometri siap digunakan, dilakukan penentuan computational domain (Gambar 10) yang akan menjadi daerah perhitungan simulasi.
Gambar 10. Geometri rumah tanaman dan daerah perhitungan model simulasi
18 2) Penetapan general setting
Ada empat tahap yang ditetapkan pada bagian ini yaitu tipe analisis, jenis fluida, jenis material padat dan kondisi batas serta kondisi awal simulasi secara umum. Gambar 11 sampai dengan Gambar 15 adalah tampilan interface general setting untuk Kasus 1.
Gambar 11. Tipe analisis dan nilai masukan radiasi matahari untuk Kasus 1 Tipe aliran yang digunakan adalah tipe aliran eksternal, karena bagian yang dianalisis berhubungan dengan lingkungan dari luar rumah tanaman.
Masukan data berupa suhu lingkungan, radiasi matahari dan memperhitungkan proses pindah panas konduksi serta gravitasi (Gambar 11).
Fluida yang dianalisis adalah udara dengan tipe aliran laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara (Gambar 12). Default material padat (solid) dalam simulasi ini adalah concrete (beton) (Gambar 13).
Pengaturan kondisi batas hanya memasukkan nilai kekasaran (roughness) sebesar 0 µm (Gambar 14). Nilai suhu udara dan kelembaban pada initial and ambient condition disesuaikan dengan tipe aliran yang digunakan. Tipe aliran yang digunakan adalah eksternal, sehingga suhu udara dan kelembaban yang dimasukkan merupakan kondisi luar rumah tanaman. Nilai tekanan yang dimasukkan sebesar 101,325 kPa dan suhu material padat dimasukkan sesuai analisis kasus yang dibutuhkan (Gambar 15).
19 Gambar 12. Pengaturan fluida yang dianalisis dan tipe aliran pada Kasus 1
Gambar 13. Pengaturan material pada Kasus 1
20 Gambar 14. Kondisi batas pada Kasus 1
Gambar 15. Kondisi awal pada Kasus 1 3) Pengaturan mesh untuk perhitungan pada level 3.
4) Daerah perhitungan dibuat untuk daerah di luar dan di dalam rumah tanaman (Tabel 2).
21 Tabel 2. Daerah perhitungan dalam simulasi
Koordinat Jarak (m)
Xmin -7.5
Xmax 1
Ymin -2.67
Ymax 4
Zmin -10
Zmax 5
5) Pendefinisian material rumah tanaman
Bagian utama yang digunakan dalam simulasi ini adalah atap, dinding, lantai dan rangka rumah tanaman. Atap didefinisikan sebagai PC (Polycarbonate), dinding sebagai media berpori (porous media), lantai sebagai beton (concrete), dan rangka sebagai baja ringan (steel, mild). Semua data teknik material tersebut belum tersedia di database Solidworks®, sehingga data- data sifat bahan tersebut dimasukkan oleh peneliti (Tabel 3).
Tabel 3. Sifat bahan yang dimasukkan ke dalam data teknik Solidworks®
Sifat bahan Satuan Polycarbonate* Concrete# Steel, mild+
Kerapatan (ρ) kg/m3 1,200 2,000 7,833
Panas jenis (cp) J/kg oC 1,300 1,000 45.3
Konduktivitas panas (k) W/m oC 0.20899 1.13 0.502
Tipe konduktivitas - Isotropik Isotropik Isotropik
Melting temperature oC 630 1,000 1,410
Keterangan : * Katalog SolarTuff
+ Cengel (2003)
# Database (www.engineeringtoolbox.com dan www.people.bath.ac.uk)
6) Pengaturan kondisi batas
Komponen rumah tanaman yang memiliki sumber panas terbesar adalah lantai dan atap. Atap merupakan komponen pertama yang berinteraksi langsung dengan radiasi matahari, kemudian diteruskan ke lantai. Sehingga kedua komponen ini menyimpan panas lebih besar dari komponen-komponen lainnya.
Kondisi batas (real wall) yang ditetapkan hanya pada permukaan lantai rumah tanaman dan dinding bawah rumah tanaman. Pengaturan real wall ditetapkan tergantung dari suhu lantai di beberapa jarak pengukuran.
7) Pengaturan tujuan (goals) dari simulasi
Goal dari simulasi adalah suhu udara global dan kecepatan udara global.
Data suhu udara global ini digunakan untuk validasi dengan hasil pengukuran.
22 8) Proses running (perhitungan) dijalankan
Persamaan-persamaan konservasi diselesaikan dengan metode iterasi SIMPLER (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised).
Proses perhitungan dimulai dengan memecahkan variabel kecepatan fluida dan tekanan. Proses perhitungan ini diperlihatkan kepada pengguna berupa grafik yang menunjukkan konvergenitas residual variation. Jika proses perhitungan menghasilkan residual yang menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya, maka dikatakan bahwa tebakan nilai terhadap variabel-variabel cukup baik dan solusi akan diperoleh. Proses iterasi akan berhenti ketika kondisi konvergen tercapai.
Solidworks® akan secara otomatis mengatur time step sama dengan satu untuk analisis termal kondisi tunak. Karena simulasi dilakukan pada aliran tetap dimana udara tidak terkompresi, maka nilai massa jenis konstan selama iterasi.
9) Tahap post-processor
Pada tahap ini tampilan yang dibutuhkan oleh peneliti dapat ditentukan secara langsung sebagai hasil simulasi CFD, seperti bentuk kontur suhu dan kecepatan udara, animasi dan sebagainya.
c. Validasi Hasil Simulasi Suhu
Validasi sebaran suhu dilakukan dengan membandingkan antara hasil simulasi CFD dan hasil pengukuran. Pengujian keabsahan dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara hasil simulasi (y) dan hasil pengukuran (x) (Persamaan 10). Dimana, a menyatakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi.
y = a + bx ... (10) Model dinyatakan dapat memberikan prediksi sebaran suhu yang semakin baik bila persamaan regresinya memiliki nilai intersep (a) semakin mendekati nol dan gradiennya (b) semakin mendekati satu. Selain itu, validasi hasil simulasi dilakukan dengan menghitung nilai ketepatan seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 11.
𝐾𝑒𝑡𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 (%) = 1 − 𝑌𝑎−𝑌𝑝
𝑌𝑎 𝑥100% ... (11) dimana, 𝑌𝑎 adalah nilai aktual pengukuran
𝑌𝑝 adalah nilai hasil simulasi
d. Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman
Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan setelah hasil simulasi memiliki nilai yang valid. Analisis pindah panas konveksi dilakukan antara lantai dengan udara di atasnya dengan menggunakan persamaan-persamaan pindah panas. Dalam penelitian ini diasumsikan bahwa perpindahan panas yang terjadi hanya melalui konveksi alami dengan batas sistem adalah dinding rumah tanaman setinggi 60 cm, sehingga proses pindah panas hanya terjadi antara lantai dan udara di atas permukaan lantai, serta terjadi pada tiga dimensi dalam keadaan tunak (steady). Kemudian analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan dari hasil simulasi menggunakan CFD.
