3
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. RUMAH TANAMAN
Rumah tanaman atau greenhouse di kawasan tropika basah berfungsi sebagai bangunan perlindungan tanaman baik pada budidaya tanaman dengan media tanam maupun dengan sistem hidroponik. Konsep umbrella effect cocok untuk rumah tanaman di kawasan iklim seperti Indonesia.
Rumah tanaman lebih ditujukan untuk melindungi tanaman dari hujan, angin, dan hama. Selain itu, rumah tanaman dibangun untuk mengurangi intensitas radiasi matahari yang berlebih, mengurangi penguapan air dari daun dan media, serta memudahkan perawatan tanaman. Dengan demikian, rancangan konstruksi rumah tanaman harus disesuaikan dengan fungsi diatas.
Rancangan rumah tanaman dengan konsep umbrella effect untuk daerah beriklim tropika basah telah dikembangkan sebagai adapted greenhouse. Adaptasi tersebut menjadi tiga jenis rumah tanaman yang kemudian umum digunakan, yaitu semi monitor, modified standard peak, dan modified arch.
Masing-masing tipe rumah tanaman tersebut dilengkapi dengan bukaan ventilasi pada bubungan, seperti terlihat pada Gambar 1 (Suhardiyanto 2009).
Gambar 1. Rumah tanaman tipe modified standard peak
Rumah tanaman dapat menyebabkan peristiwa greenhouse effect atau efek rumah kaca, yaitu radiasi matahari gelombang pendek yang berenergi tinggi masuk ke dalam rumah tanaman kemudian diubah menjadi gelombang panjang. Karena sudah kehilangan energi, gelombang tersebut sudah tidak mampu menembus lapisan bahan penutup rumah tanaman sehingga terperangkap dan menyebabkan kenaikan suhu udara di dalam rumah tanaman. Suhu tinggi di dalam rumah tanaman akan memanaskan benda-benda yang ada didalamnya melalui proses perambatan panas secara konveksi, konduksi, maupun radiasi. Peristiwa tersebut dapat dilihat pada Gambar 2. Oleh karena itu, faktor suhu lingkungan rumah tanaman merupakan parameter kritis dalam pengendalian lingkungan fisik tanaman.
Menurut Suhardiyanto (2009), penggunaan greenhouse memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman. Rumah tanaman meminimalisasi pengaruh buruk lingkungan
4 luar sehingga pengetahuan prinsip dasar perencanaan greenhouse membantu memanipulasi kondisi yang tidak menguntungkan agar sesuai dengan pertumbuhan tanaman.
Gambar 2. Skema perpindahan panas yang terjadi di dalam rumah tanaman
B. AEROPONIK
Aeroponik merupakan salah satu teknologi hidroponik modifikasi terbaru. Umumnya dimanfaatkan untuk tanaman sayuran daun yang berumur pendek dan mempunyai nilai ekonomis tinggi. Sistem aeroponik merupakan sistem penanaman yang efisien dari segi penggunaan air untuk nutrisi tanaman. Untuk menghasilkan produk dengan kualitas tinggi perlu diperhatikan faktor lingkungan yang mempengaruhi tanaman, antara lain suhu, cahaya, kelembaban, media tanam, dan unsur hara yang terkandung dalam larutan nutrisi yang diberikan (Zulaedah 2005).
Aeroponik berasal dari kata aero yang berarti udara dan ponus yang berarti daya. Dengan demikian, aeroponik berarti memberdayakan udara. Prinsip kerja aeroponik adalah akar terurai di rongga udara di bawah papan styrofoam dan terus menerus disemprot dengan larutan nutrisi dalam bentuk kabut. Selain itu, akar tanaman pada sistem aeroponik dapat diberi kabut secara berkala.
Butiran halus larutan nutrisi yang melekat di akar akan diserap dan ditransfer ke atas, kemudian digunakan untuk pertumbuhan tanaman. Sebagai media tanam digunakan styrofoam yang diberi lubang tanam, tergantung dari konfigurasi tata letak lubang.
Hipokotil anak semai, yaitu bagian antara akar dan daun dikotil, dibungkus dengan busa atau rockwool dan ditancapkan ke dalam lubang tanam. Busa pembungkus hipokotil anak semai menjamin anak semai tetap segar karena sebelumnya dibasahi dan mendapat kabut butiran larutan nutrisi secara kontinyu atau bertahap sehingga tanaman cepat tumbuh besar. Akan lebih baik menggunakan rockwool karena sifatnya yang kuat menahan air atau larutan nutrisi dan rongga udara tetap banyak meskipun terlihat jenuh air. Namun, rockwool memiliki kelemahan yaitu harganya yang relatif mahal (Karsono et al. 2002).
Chamber aeroponik Radiasi
gelombang pendek
Radiasi gelombang panjang (terperangkap)
Konveksi
Konveksi dan konduksi
5 Akar yang menggantung bebas diselimuti kabut larutan nutrisi yang disemprotkan dari beberapa nozzle yang terletak ± 30 cm di bawah styrofoam. Pompa bertenaga besar mengalirkan larutan nutrisi dari bak penampung, melalui pipa paralon, kemudian dialirkan ke dalam bedengan (chamber) instalasi aeroponik. Di dalam chamber, diletakkan pipa lateral jenis PE yang dipasangi beberapa nozzle dengan jarak tertentu, seperti terlihat pada Gambar 3.
Selain digunakan untuk mengatasi lahan yang sempit dan efisiensi pemakaian larutan nutrisi, kelebihan budidaya secara aeroponik adalah oksigenasi dari tiap butiran kabut halus larutan hara yang sampai ke akar. Selama perjalanan dari lubang nozzle sampai ke akar, butiran akan menambat oksigen dari udara sehingga kadar oksigen terlarut dalam butiran meningkat. Dengan demikian, proses respirasi pada akar dapat berlangsung lancar dan menghasilkan banyak energi.
Selain itu, dengan pengelolaan yang terampil, produksi dengan sistem aeroponik dapat memenuhi kualitas, kuantitas, dan kontinuitas (Laelasari 2004).
Gambar 3. Sistem aeroponik (Hidayat 2011)
C. SUHU DAN KELEMBABAN
Suhu merupakan gambaran umum keadaan energi yang dikandung suatu benda. Namun demikian, tidak semua bentuk energi yang dikandung suatu benda dapat diwakili oleh suhu. Di atmosfer, peningkatan panas laten akibat penguapan tidak menyebabkan kenaikan suhu udara.
Penguapan justru menurunkan suhu udara karena proporsi panas terasa yang menyebabkan kenaikan suhu udara menjadi berkurang. Panas adalah salah satu bentuk energi yang dikandung oleh suatu benda, sedangkan suhu mencerminkan energi kinetik rata-rata dari gerakan molekul-molekul.
Beberapa karakteristik fisika seperti panas jenis dan kapasitas panas dari suatu benda akan menentukan laju dari benda tersebut dalam menyimpan panas (pemanasan) atau melepaskan panas (pendinginan) (Handoko dan Impron 2008).
Menurut Atmaja (2009), suhu lingkungan berpengaruh terhadap proses fisik dan kimiawi tanaman sehingga setiap tanaman mempunyai rentang suhu udara yang menjadi syarat tumbuhnya.
Suhu udara yang terlalu berlebihan akan merusak tanaman, misalnya jika suhu terlalu tinggi akan mematikan tanaman, sedangkan jika suhu terlalu rendah akan membekukan tanaman. Lingkungan pertumbuhan akar yaitu suhu larutan nutrisi sangat mempengaruhi pertumbuhan akar dan proses penyerapan unsur hara oleh akar tanaman. Berdasarkan penelitian, suhu optimum untuk daerah perakaran adalah antara 20oC-23oC.
Suhu optimum adalah batasan suhu yang dapat membuat pertumbuhan tanaman berjalan maksimum. Di bawah suhu optimum merupakan suhu minimum sedangkan suhu maksimum berada di atas suhu optimum. Suhu minimum, optimum, dan maksimum mempunyai slang (jarak) tertentu yang disebut suhu kardinal. Jika tanaman tidak stress air, suhu daun mengikuti suhu udara, suhu akar akan
6 mengikuti suhu tanah atau suhu larutan nutrisi pada sistem hidroponik (Jumin 2008). Tabel berikut merupakan suhu kardinal beberapa tanaman.
Tabel 1. Suhu kardinal beberapa tanaman
Tanaman Suhu (oC)
Minimum Optimum Maksimum
Tomat 20 25-35 35-40
Bayam 1-2 10 20-30
Cabai 18 21-29.5 35
Krisan 17 20-26 30
Sumber: Kamil (1982) dalam Jumin (2008)
Menurut Jumin (2008), panas mengakibatkan meningkatnya energi kinetik dari molekul- molekul tanaman, yang membuat laju reaksi meningkat. Laju reaksi akan meningkat dua kali lipat jika suhu naik setiap 10oC. Hal tersebut merupakan pernyataan hukum Vant Hoff. Hukum ini yang optimum berlaku pada jarak suhu 20oC-30oC dan 5oC-25oC khusus untuk fotosintesis. Suhu vital suatu tanaman adalah titik suhu yang menunjukkan tidak terjadinya proses fisiologis tanaman, misalnya untuk tanaman kentang 7.2oC, jagung 10oC, kapas 16.6oC.
Kelembaban udara menggambarkan kandungan uap air di udara yang dapat dinyatakan sebagai kelembaban mutlak, kelembaban relatif, maupun defisit tekanan uap. Kelembaban relatif membandingkan antara kandungan atau tekanan uap air aktual dengan keadaan jenuhnya atau pada kapasitas udara untuk menampung uap air. Kapasitas udara tersebut ditentukan oleh suhu udara.
Karena kapasitas udara untuk menampung uap air semakin tinggi dengan naiknya suhu udara, maka pada tekanan uap air aktual yang relatif tetap antara siang dan malam hari mengakibatkan RH akan lebih rendah pada siang hari dan lebih tinggi pada malam hari (Handoko dan Impron 2008).
D. PRINSIP-PRINSIP PINDAH PANAS
Menurut Kreith and Bohn (2001), peristiwa pindah panas terjadi karena energi berpindah dari satu daerah ke daerah lainnya yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Pindah panas terjadi secara konduksi, radiasi, dan konveksi.
a. Konduksi
Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah di dalam satu medium (padat, cair, gas) atau antara medium-medium yang bersinggungan secara langsung. Besaran perpindahan panas konduksi tergantung dari nilai konduktivitas panas, yaitu sifat fisik dari medium. (Kreith and Bohn 2001).
Besar laju aliran panas dengan cara konduksi, dinyatakan dalam:
(1)
dimana: qk = laju perpindahan panas (W)
k = konduktivitas termal bahan (W/mK)
A = luas penampang benda yang tegak lurus terhadap aliran panas (m2) dT = gradient temperature (K)
dx = ketebalan dinding (m)
7 Tanda minus dari persamaan diatas adalah akibat dari hukum kedua termodinamika, yang arah aliran panasnya berasal dari suhu tinggi ke suhu rendah.
b. Konveksi
Menurut Zemansky and Dittman (1986), arus konveksi merupakan arus cairan atau gas yang menyerap kalor pada suatu tempat, kemudian bergerak ke tempat lain dan bercampur dengan bagian fluida yang lebih dingin serta memberikan kalornya. Pengklasifikasian perpindahan panas berdasarkan cara menggerakkan alirannya dibedakan menjadi dua, yaitu konveksi bebas (alami) dan konveksi paksa. Konveksi alamiah merupakan gerak fluida yang disebabkan perbedaan kerapatan yang menyertai perbedaan suhu, sedangkan konveksi paksa adalah fluida yang dipaksa bergerak oleh pompa atau kipas.
Laju perpindahan panas konveksi, dinyatakan dalam:
(2)
dimana: qc = laju perpindahan panas (W)
hc = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K) T = suhu permukaan (K)
Tf = suhu fluida (K)
c. Radiasi
Radiasi termal adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah jika benda tersebut terpisah di dalam ruang, dimana perpindahan energi terjadi melalui bahan dan kalor dapat berpindah melalui ruang-ruang hampa (Holman 1997).
Laju aliran panas suatu benda dengan radiasi, dinyatakan dalam:
(3)
dimana: qr = laju perpindahan panas (W)
= konstanta Stefan Boltzman 5.667x10-8 W/m2K4 = emisivitas bahan (hitam=1)
E. DASAR-DASAR SIMULASI
Menurut Syamsa (2003) dalam Haryanto (2010), simulasi komputer adalah usaha mengeksplorasi model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata dengan sebagian besar rinciannya. Simulasi proses adalah penggunaan model matematika untuk menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari sistem dengan mengukur tanggap dinamik variabel-variabel proses yang dipantau, misalnya suhu, tekanan, dan komposisi bahan. Dengan memanipulasi atau bekerja dengan model, diharapkan:
1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran
2. Lebih memahami model fisik dan matematika dari fenomena dan proses 3. Bereksperimen dengan model
4. Melakukan pengujian dengan model
5. Menggunakan model untuk tujuan penelitian dan pelatihan
8 Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua kategori berdasarkan kondisinya, yaitu simulasi pada keadaan tunak dan simulasi dalam keadaan dinamis (Syamsa 2003 dalam Haryanto 2010). Simulasi keadaan tunak biasanya terdiri dari sejumlah persamaan aljabar yang diselesaikan secara iterasi, misalnya untuk menghitung kalkulasi panas dan keseimbangan dari suatu proses dibawah kondisi keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum digunakan dalam proses industri seperti pengukuran boiler dan peralatan turbin untuk laju panas tertentu.
Simulasi keadaan dinamis tidak hanya memperhatikan kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dalam keadaan tunak, tetapi juga kondisi transien dari perubahan proses. Simulasi dilakukan dengan menyelesaikan persamaan-persamaan diferensial nonlinier berjumlah besar dalam waktu nyata, untuk menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari proses yang disimulasikan. Laju akumulasi massa dan energi dihitung secara kontinyu dan diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu untuk menghasilkan proses tiruan dari tanggap dinamik yang realistik seperti suhu, tekanan, dan komposisi bahan (Haryanto 2010).
F. COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
CFD merupakan teknologi komputasi yang digunakan sebagai alat untuk menganalisis fenomena dinamika fluida seperti aliran fluida, perpindahan panas dan massa, perubahan fase, reaksi kimia, pergerakan mekanis, serta interaksi fluida dan solid (Norton et al. 2007). CFD terbentuk berdasarkan algoritma numerik dari permasalahan fluida yang terjadi sehingga dibutuhkan solusi permasalahan berdasarkan parameter-parameter yang mempengaruhi sifat fluida tersebut. Di dalam CFD, terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan dalam melakukan proses, yaitu pra pemrosesan (pre-processor), pencarian solusi (solver), dan pasca pemrosesan (post-processor) (Versteeg dan Malalasekera 1995).
a. Pra Pemrosesan
Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995), pra pemrosesan merupakan tahapan dimana dilakukan pendefinisian masalah. Adapun langkah-langkah yang dilakukan, sebagai berikut:
1. Membentuk geometri (computational domain) dua dimensi atau tiga dimensi 2. Membentuk geometri menjadi sejumlah bagian yang lebih kecil (grid). Grid
merupakan bagian yang akan dicari solusinya karena tingkat keakuratan hasil CFD didasarkan pada jumlah grid yang dibentuk
3. Mendefinisikan fenomena-fenomena yang terjadi (fisik dan kimia) karena dibutuhkan dalam pemodelan
4. Mendefinisikan karakteristik fluida
5. Mendefinisikan kondisi batas (boundary condition) pada model geometri
b. Pencarian Solusi
Pencarian solusi merupakan tahapan dimana seluruh kondisi pra pemrosesan telah terpenuhi. Terdapat tiga solusi teknik numerik dalam mencari solusi CFD, yaitu difference, finite element, dan spectral method (Versteeg dan Malalasekera 1995). Adapun tahapan yang dilakukan dalam mencari solusi pada CFD, meliputi:
1. Memperkirakan variabel aliran yang tidak diketahui menggunakan fungsi sederhana 2. Diskritasi hasil perkiraan tersebut dengan mensubstitusi ke dalam persamaan aliran
fluida tersebut dan memanipulasinya secara matematis
9 3. Membuat solusi dengan persamaan aljabar
c. Pasca Pemrosesan
Tahapan pasca pemrosesan merupakan tahapan terakhir dalam proses CFD yang bertujuan untuk menyajikan hasil dari analisis fluida. Hasil analisis didasarkan pada visualisasi warna yang meliputi:
1. Hasil dari geometri dan grid yang telah dibentuk 2. Plot berdasarkan vektor
3. Plot berdasarkan kontur
4. Plot berdasarkan permukaan (dua dimensi atau tiga dimensi)
Visualisasi solusi ini bertujuan untuk mempermudah pemahaman solusi yang dihasilkan dari CFD. Dalam proses ini dilengkapi dengan melakukan animasi dari solusi yang didapat (Wahhaab 2010).
