Analisis pola aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman standard peak menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)

ANALISIS POLA ALIRAN DAN DISTRIBUSI SUHU UDARA

PADA RUMAH TANAMAN STANDARD PEAK MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

SKRIPSI

RESTI NURIANINGSIH

F14063467

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2011

FLOW TYPE AND TEMPERATURE DISTRIBUTION ANALYSIS AT STANDARD PEAK GREENHOUSE USING

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Resti Nurianingsih, Herry Suhardiyanto and Leopold Oscar Nelwan

Department of Machine and Biosystem, Faculty of Agricultural Technology,

Bogor Agricultural University, IPB Darmaga Campus, PO Box 220, Bogor, West Java, Indonesia Email : resti_nti@ymail.com

ABSTRACT

This experiment was analyzed of air flow and temperature distribution in standard peak greenhouse using computational fluid dynamics (CFD) as a basic consideration for air movement design. The method is using three models of greenhouse which modified condition of being slant roof to be 30o and 45o. The dimensions of greenhouse existing were: 12 m in length, 6 m in width, and 5,14 m in height. The floor was made from concrete. Polycarbonate was used as roof of the greenhouse and the wall was use screen as natural ventilation with 1,5 mm2. The results of the analysis showed that during the daytime, air temperature inside greenhouse surrounding the roof increased by the condition of being slant roof is steep. The CFD simulation showed clearly the air flow and temperature distribution in greenhouse. This cause showed the average of error at 00:00 o’clock is 1,44%, at 07:00 o’clock is 1,83%, at 12:00 o’clock is 2,34%, and at 17:00 o’clock is 1,49%. Therefore, it can be used as basic consideration for the modified of slant roof design with respect to low air temperature and uniform air temperature distribution. It was recommended that one of the optimal condition of being slant roof is 30o.

Resti Nurianingsih. F14063467. Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Standard Peak Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc dan Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si. 2011

RINGKASAN

Rumah tanaman atau biasa dikenal dengan istilah greenhouse adalah sebuah bangunan dimana tanaman dapat tumbuh dengan optimal. Pada zaman sekarang khususnya di Indonesia, penggunaan rumah tanaman lebih ditujukan karena keterbatasan lahan dan untuk melindungi tanaman dari hujan serta terpaan angin kencang. Rumah tanaman biasanya terbuat dari bahan yang dapat menjebak udara di dalam bangunan. Aliran udara dan distribusi suhu di dalam bangunan perlu dijaga sirkulasinya agar udara panas yang terjebak tidak terus meningkat melebihi intensitas penyerapan panas yang dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman. Oleh karena itu perlu tindaklanjut untuk dijadikan penelitian desain rumah tanaman dan modifikasinya.

Tujuan penelitian ini adalah menganalisa pola aliran dan distribusi suhu udara yang ada di dalam rumah tanaman ,melakukan validasi antara hasil pengukuran dengan perhitungan model CFD, dan melakukan simulasi modifikasi desain rumah tanaman dengan mengubah kemiringan atap untuk mengetahui pengaruhnya terhadap distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Penelitian ini dilakukan dalam rumah tanaman yang terletak di lapangan percobaan Leuwikopo pada bulan Juli 2010.

Pengukuran suhu udara dilakukan pada beberapa titik dalam rumah tanaman menggunakan termokopel yang datanya direkam hybrid recorder. Data yang digunakan sebagai input dalam simulasi selain geometri rumah tanaman adalah Suhu udara lingkungan, radiasi matahari, kelembaban udara lingkungan, arah dan kecepatan angin menggunakan weather stations. Pengambilan data dilakukan selama 1 hari 24 jam. Output yang dihasilkan berupa potongan (irisan) kontur suhu dan vektor aliran udara dalam bentuk dua dimensi.

Pola aliran dan distribusi suhu udara hasil simulasi menunjukkan hasil yang optimal dimana besarnya suhu udara di dalam mendekati suhu udara lingkungan rumah tanaman. Hal ini juga didukung dengan perolehan rata-rata error yang masih dalam batas wajar. Rataan error yang diperoleh pada pukul 00:00 sebesar 1,44%, pukul 07:00 sebesar 1,83%, pukul 12:00 sebesar 2,34%, dan pukul 17:00 sebesar 1,49%. Hal ini juga ditunjukkan oleh hasil dari persamaan linier y=ax+b, dimana nilai a adalah 0,923 yang mendekati 1 dan nilai b adalah 1,914 yang mendekati 0 sesuai dengan persamaan y=x.

Modifikasi kemiringan atap rumah tanaman hanya mempengaruhi pergerakaan dan suhu udara yang meningkat di sekitar atap akan tetapi tidak mempengaruhi kenaikan suhu udara yang drastis di dalam rumah tanaman. Pola aliran udara yang ditunjukkan dari hasil simulasi menggunakan CFD, rumah tanaman yang dengan kemiringan atap 30o memiliki pola aliran dan distribusi suhu udara yang optimal. Hal ini sesuai dengan yang dinyatakan oleh Suhardiyanto (2009) bahwa bentuk atap standard peak dengan kemiringan sudut atap 25o - 35o tergolong optimal dalam mentransmisikan radiasi matahari.

ANALISIS POLA ALIRAN DAN DISTRIBUSI SUHU UDARA

PADA RUMAH TANAMAN

STANDARD PEAK

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

RESTI NURIANINGSIH

F14063467

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2011

ii

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Skripsi : Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Standard Peak Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)

Nama : Resti Nurianingsih

NIM : F14063467

Menyetujui,

Pembimbing I,

(Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc.) NIP 19590910 198503 1 003

Pembimbing II,

(Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si.) NIP 19701208 199903 1 002

Mengetahui : Ketua Departemen,

(Dr. Ir. Desrial, M.Eng.) NIP 19661201 199103 1 004

iii

PERNYATAAN

Yang bertanda tangan di bawah ini Nama : Resti Nurianingsih NIM : F14063467

Menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Standard Peak Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)” adalah karya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun ke 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 bentuk daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini. apabila terbukti skripsi tersebut bukan hasil karya sendiri, saya bersedia menerima segala sangsi yang telah ditetapkan. Demikian pernyataan ini dibuat sebagaimana mestinya dan benar adanya.

Bogor, Januari 2011 Yang membuat pernyataan

Resti Nurianingsih F14063467

iv

BIODATA PENULIS

Resti Nurianingsih. Lahir di Jakarta, 3 Juli 1988 dari ayah Dodik Suprapto dan ibu Umiyatun, sebagai putri pertama dari empat bersaudara. Pada tahun 2000 penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN Ciracas 11, Jakarta Timur. Penulis melanjutkan pendidikan ke sekolah menengah pertama di SLTPN 09, Jakarta Timur dan lulus pada tahun 2003. Setelah lulus sekolah menengah pertama, penulis melanjukan ke sekolah menengah atas di SMU 39 Cijantung, Jakarta dan menamatkan SMA pada tahun 2006 di Sekolah Indonesia Kuala Lumpur, Malaysia. Pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian. Penulis mengambil bagian Lingkungan dan Bangunan Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis mengikuti berbagai kegiatan termasuk menjadi asisten praktikum mata kuliah Ilmu Ukur Wilayah pada tahun 2010. Penulis melaksakan Praktik Lapangan pada tahun 2009 di PT Kusuma Agrowisata, Batu, Jawa Timur dengan judul laporan PL “Teknologi Hidroponik Dengan DFT (Deep Flow Technique) Pada Budidaya Sayuran Pak Choy (Brassica Chinensis) di PT. Kusuma Agrowisata, Batu”. Pada tahun 2011 penulis menyelesaikan pendidikan

sarjana di IPB dengan judul tugas akhir “Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara Pada Rumah Tanaman Standard Peak Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)”.

v

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur dipanjatkan ke hadapan Allah SWT atas karunia-Nya sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Penelitian dengan judul Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara Pada Rumah Tanaman Standard Peak Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) dilaksanakan di lapangan percobaan Leuwikopo sejak bulan Juli 2010.

Dengan telah selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Prof. Dr.Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc., sebagai dosen pembimbing utama atas bimbingan, saran, dan arahannya selama ini hingga skripsi ini dapat terselesaikan.

2. Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan M.Si., sebagai dosen pembimbing kedua atas bimbingan, saran, masukan, motivasi, dan segala kebaikan.

3. Ir. Sri Mudiastuti, M.Eng, sebagai penguji skripsi atas saran serta kesediaannya menguji pada ujian skripsi.

4. Kedua orang tua, Ibu dan Bapak, serta ketiga adik saya Galih Yudha Kuswandaru, Rahmatandi Hanifa dan Daffa Setoaji untuk semua pertolongan, kasih sayang, doa, dukungan, biaya dan semua pengorbanan yang tidak ternilai.

5. Yudistia Rizkiangga, terima kasih untuk semua kasih sayang, motivasi, sebagai tempat mengeluh, menangis dan bantuannya dari awal hingga skripsi ini selesai serta kesabarannya menghadapi emosi penulis dan ketersediannya setiap hari, setiap waktu menemai penulis kemanapun dan dimanapun penulis butuhkan.

6. Kak Ali Maksum Asnawi TEP 41 atas dorongan semangat dan penjelasan-penjelasan materi yang penulis butuhkan. Terima kasih untuk menyempatkan waktunya membantu penulis melalui sms, via email dan facebook serta bersedia mendownload file penulis untuk dikoreksi.

7. Penghuni triregina atas, Lalapo, Mba Apong (Tante), Mba Uwi, Besta, Dhanys, Ijul, Pasha, Tita, Widya, Linda, dan Ifa atas bantuan, saran, dan dorongan untuk segera lulus serta informasi yang berguna bagi penulis.

8. Rekan-rekan sesama lab Lingkungan dan Bangunan Pertanian. 9. Teman-teman Teknik Pertanian angkatan 43.

10. Para teknisi laboratotium Pak Ahmad, Mas Firman dan Mas Darma atas bantuannya. 11. Ibu Iyum, Ibu Lilis dan Pak Bonny serta para staf rektorat.

12. Semua pihak yang telah mendukung hingga skripsi ini dapat terselesaikan juga.

Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang Teknik Pertanian khususnya Lingkungan dan Bangunan Pertanian.

Bogor, Januari 2011 Resti Nuriaingsih

vi

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN PENGESAHAN ... ii

HALAMAN PERNYATAAN ... iii

BIODATA PENULIS ... iv

KATA PENGANTAR ………..……….………... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR TABEL ………..……….……… vii

DAFTAR GAMBAR …………..……….……… viii

DAFTAR LAMPIRAN …………..……….………. ix

I. PENDAHULUAN ………...………..1

1.1. LATAR BELAKANG ……….……….. 1

1.2. TUJUAN ……….………..……… 2

II. TINJAUAN PUSTAKA ……….……….………. 3

2.1. RUMAH TANAMAN (GREENHOUSE) ………. 3

2.2. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI ALIRAN DAN DISTRIBUSI SUHU UDARA ………..………. 4

2.3. VENTILASI ………..……….……….. 6

2.4. CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) ……….……… 7

2.5. SOLIDWORKS ……… 9

III. METODE PENELITIAN ……….. 10

3.1. WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN …..……….……….. 10

3.2. ALAT DAN BAHAN PENELITIAN ……….……….……… 10

3.3. METODOLOGI ………..….……….,,. 10

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ………...………. 14

4.1. SUHU UDARA ………..……….. 14

4.2. KELEMBABAN UDARA ………...……… 15

4.3. RADIASI MATAHARI……….……… 16

4.4. SIMULASI CFD ……….. 17

4.5. VALIDASI SUHU UDARA HASIL SIMULASI ………..………. 24

4.6. MODIFIKASI KEMIRINGAN ATAP RUMAH TANAMAN …..….……… 26

V. SIMPULAN DAN SARAN ……….………….……… 30

5.1. SIMPULAN ……….. 30

5.2. SARAN ……….……… 30

DAFTAR PUSTAKA ……….………. 31

vii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Pengaruh kecepatan udara terhadap tanaman ………….………. 5

Tabel 2. Pengaruh panjang gelombang cahaya terhadap tanaman ………. 6

Tabel 3. Titik-titik pengukuran untuk validasi ……….………. 11

Tabel 4. Masukan data untuk simulasi CFD (16 Juli 2010) ………...………. 18

Tabel 5. Sifat-sifat bahan atap dan lantai rumah tanaman sebagai input CFD ...……. 18

Tabel 6. Hasil iterasi dan jumlah cells ……….……….……… 19

viii

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 1. Bentuk penampang melintang rumah tanaman di kawasan beriklim sub-tropis …....…. 4 Gambar 2. Hasil simulasi komputer distribusi suhu udara pada rumah tanaman ………... 7 Gambar 3. Denah titik-titik pengukuran suhu udara dalam rumah tanaman ....………... 11 Gambar 4. Diagram alir dalam proses simulasi CFD ....……….………... 13 Gambar 5. Modifikasi kemiringan atap rumah tanaman tampak depan ….……..……….………. 13 Gambar 6. Grafik suhu udara di dalam rumah tanaman (16 Juli 2010) ………….………....…… 14 Gambar 7. Grafik suhu udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010) ……..……….. 15 Gambar 8. Grafik kelembaban udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010) ………....……… 16 Gambar 9. Grafik perubahan radiasi matahari (16 Juli 2010) …...……..…..…….………. 16 Gambar 10. Domain dan geometri rumah tanaman tampak piktorial …………..……..……….. 17 Gambar 11. Rumah tanaman tampak depan dan keterangannya ……….…………. 17 Gambar 12. Boundary condition dalam simulasi CFD pada pukul 17:00 (16 Juli 2010) …..………. 19 Gambar 13. Rumah tanaman tampak atas beserta arah mata angin ……….. 20

Gambar 14. Vektor angin ………..………..……….…… 20

Gambar 15. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pada

pukul 00:00 ………... 21

Gambar 16. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pada

pukul 07:00 ………... 22

Gambar 17. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pada

pukul 12:00 ………... 22

Gambar 18. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pada

pukul 17:00 ………... 23

Gambar 19. Perbandingan suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan hasil

pengukuran (16 Juli 2010) …….…….……….…… 25

Gambar 20. Hubungan lineier antara suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan

pengukuran (16 Juli 2010) ………..….. 26

Gambar 21. Distribusi suhu udara dan vektor kecepatan aliran udara pada posisi z = 0 (kiri) dan x = 0 m (kanan) dengan modofikasi atap 30o, (a) pukul 00:00, (b) pukul

07:00, (c) pukul 12:00, dan (d) pukul 17:00 ……….……… 28 Gambar 22. Distribusi suhu udara dan vektor kecepatan aliran udara pada posisi z = 0 (kiri)

dan x = 0 m (kanan) dengan modifikasi atap 45o, (a) pukul 00:00, (b) pukul

ix

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Data Suhu udara lingkungan rumah tanaman tanggal 16 Juli 2010 ……...….….…… 33 …….

Lampiran 2. Data suhu udara lingkungan, RH, tekanan udara, arah dan kecepatan angin ……….. 34

Lampiran 3. Hasil perhitungan error untuk suhu udara pada rumah tanaman awal …….….…….. 35

Lampiran 4. Gambar rumah tanaman tampak piktorial ……….…..……… 36

Lampiran 5. Dimensi rumah tanaman tampak depan ………...……… 37

Lampiran 6. Dimensi rumah tanaman tampak samping ………....……….. 38

1

I.

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang

Budidaya tanaman yang dilakukan di lahan terbuka dapat menyebabkan hasil yang tidak menguntungkan, diantaranya produk pertanian tidak higienis, suhu dan kelembaban udara lingkungan tanaman tidak dapat terkontrol, serta dapat menyebabkan gagal panen akibat terserangnya hama dan penyakit tanaman. Untuk mengurangi dampak buruk tersebut dan meningkatkan kualitas serta kuantitas produk pertanian maka tanaman perlu ditanam dan diolah di tempat khusus yang dapat menjaga distribusi suhu dan aliran udara lingkungan tanaman. Salah satu teknologi yang banyak diterapkan pada saat ini adalah teknologi rumah tanaman.

Teknologi rumah tanaman dapat diterapkan untuk menjawab kebutuhan terhadap buah-buahan, sayuran, dan bunga. Teknologi ini memungkinkan produksi secara lebih terencana, baik dari segi kuantitas, kualitas, maupun waktu panen. Penggunaan rumah tanaman merupakan salah satu metode budidaya tanaman dalam lingkungan yang terkendali (Controlled Environment Agriculture), dimana lingkungan pertumbuhan tanaman dijaga untuk berada atau mendekati kondisi optimum bagi tanaman yang dibudidayakan (Suhardiyanto 2009).

Rumah tanaman atau biasa dikenal dengan istilah greenhouse adalah sebuah bangunan dimana tanaman diharapkan dapat tumbuh dengan optimal. Rumah tanaman sangat identik dengan pembudidayaan tanaman yang dilakukan dalam suatu bangunan yang tertutup oleh bahan transparan dengan menggunakan ventilasi alamiah atau ventilasi mekanis untuk mensirkulasikan aliran dan distribusi suhu udara. Pada daerah sub-tropis, rumah tanaman digunakan untuk melindungi tanaman dari cuaca yang sangat rendah dengan meningkatkan suhu di dalam bangunan dan mempertahankan aliran udaranya pada kecepatan yang optimal untuk pertumbuhan tanaman.

Menurut Mastalerz (1977), suhu di dalam rumah tanaman dapat meningkat disebabkan oleh

dua alasan, yaitu karena “greenhouse effect” dan struktur rumah tanaman di daerah subtropis yang merupakan ruangan tertutup karena dapat menyebabkan sirkulasi udara di dalam rumah tanaman tidak lancar. Pada dasarnya, rumah tanaman dipengaruhi oleh keadaan di sekitarnya. Struktur rumah tanaman memiliki efek langsung terhadap suhu udara, perubahan radiasi matahari, kelembaban udara, dan ketersediaan karbon dioksida (Mastalerz 1977).

Pada zaman sekarang khususnya di Indonesia, penggunaan rumah tanaman lebih ditujukan karena keterbatasan lahan dan untuk melindungi tanaman dari hujan serta terpaan angin kencang. Hal ini berbeda dengan tujuan awal pembuatan rumah tanaman di daerah subtropis yaitu meningkatkan suhu di dalam bangunan untuk membantu pertumbuhan tanaman.

Rumah tanaman di daerah subtropis biasanya terbuat dari bahan yang dapat menjebak udara di dalam bangunan, misalnya atap rumah tanaman yang terbuat dari bahan kaca atau plastik. Aliran dan distribusi suhu udara di dalam bangunan perlu dijaga sirkulasinya agar udara panas yang terjebak tidak terus meningkat melebihi intensitas penyerapan panas yang dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman.

Pola distribusi aliran udara pada ruang tertutup mempunyai gradien suhu, RH dan kecepatan aliran yang tidak terlalu besar. Hal ini karena pergerakan udara di dalam ruangan tidak dipengaruhi oleh pergerakan udara di luar ruangan. Aliran dan distribusi suhu udara erat hubungannya dengan sistem ventilasi yang berada di rumah tanaman. Pada sistem ventilasi yang tidak lancar pelepasan panas bersama aliran udara akan berkurang. Udara panas tersebut akan mempengaruhi pertumbuhan tanaman

2 Ventilasi yang terdapat pada atap dan dinding akan mempengaruhi pergerakan udara di dalamnya. Salah satu metode untuk menganalisis dan memodelkan pola pergerakan dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman adalah Computational Fluid Dynamics (CFD). Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah sebuah ilmu terapan yang mempelajari dinamika aliran fluida dan pindah panas dengan pendekatan model matematika diferensial dan teknik numerik menggunakan komputer (Anonim 2010). Simulasi menggunakan CFD dilakukan dengan memodifikasi kemiringan atap rumah tanaman untuk mengetahui pengaruhnya terhadap sebaran aliran udaranya.

1.2.

Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Mengidentifikasi pola aliran dan distribusi suhu udara yang ada di dalam rumah tanaman menggunakan CFD.

2. Melakukan validasi antara hasil pengukuran dengan perhitungan model CFD.

3. Melakukan simulasi modifikasi desain rumah tanaman dengan mengubah kemiringan atap untuk mengetahui pengaruhnya terhadap distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman.

3

II.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Rumah Tanaman (

Greenhouse

)

Menurut Nelson (1978) dalam Suhardiyanto (2009) mendefinisikan rumah tanaman sebagai suatu bangunan untuk budidaya tanaman yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya. Pada awalnya istilah rumah tanaman digunakan dalam proses produksi tanaman di daerah subtropis karena selama musim dingin tanaman dalam struktur tersebut selalu tampak hijau (green) sepanjang tahun sementara di luar rumah tanaman tanaman tidak dapat bertahan. Hal ini dapat terjadi karena suhu di dalam rumah tanaman lebih tinggi dari pada suhu di luarnya. Rumah tanaman merupakan bangunan yang meneruskan radiasi matahari dimana efisiensinya tergantung pada lokasi, struktur, dan perencanaan rumah tanaman (Muflihati 2006)

Suhu udara di dalam rumah tanaman lebih tinggi dibandingkan dengan suhu udara di luar rumah tanaman karena radiasi gelombang panjang yang dipancarkan dari komponen-komponen dalam rumah tanaman, seperti lantai dan dinding. Radiasi matahari gelombang pendek memiliki energi yang besar sehingga sebagian cahaya diteruskan melalui atap ke dalam rumah tanaman, dan sebagian energi dipantulkan kembali. Radiasi matahari yang telah masuk ke dalam rumah tanaman akan terkena bagian permukaan benda-benda yang ada di dalam rumah tanaman kemudian dipantulkan dalam bentuk gelombang panjang. Radiasi matahari gelombang panjang memiliki energi yang kecil sehingga tidak dapat diteruskan keluar akan tetapi dipantulkan kembali di dalam rumah tanaman. Energi yang terus-menerus dipantulkan tersebut akan meningkatkan suhu di dalam rumah tanaman. Peristiwa tersebut disebut efek rumah tanaman (greenhouse effect).

Nelson (1978) dalam Muflihati (2006) mendefinisikan rumah tanaman sebagai suatu bangunan yang bersifat tembus cahaya agar cahaya yang dibutuhkan tanaman dapat masuk ke dalam bangunan dan tanaman terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan, seperti curah huja yang deras, tiupan angin yang kencang atau keadaan suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi yang dapat menghambat pertumbuhan tanaman.

Ada tiga bagian struktur utama konstruksi rumah tanaman, yaitu bagian atap, dinding, lantai dan pondasi. Atap adalah bagian teratas pada rumah tanaman yang terdiri dari kuda-kuda, rangka atap dan penutup. Berfungsi untuk melindungi bangunan dari iklim luar. Dinding berfungsi melindungi bagian dalam rumah tanaman dari hal-hal yang tidak diinginkan, seperti angin kencang, hujan, hama dan penyakit tanaman. Lantai berfungsi sebagai pijakan untuk meletakkan elemen tambahan dalam rumah tanaman seperti bedengan hidoponik dan tangki air. Dan pondasi berfungsi untuk menyangga bagian atas rumah tanaman.

Tipe rumah tanaman didasarkan pada kebutuhan dan keadaan kondisi lingkungan serta iklim daerah tersebut. Misalnya saja rumah tanaman di daerah subtropis konstruksi rumah tanaman dikhususkan untuk membantu pertumbuhan tanaman, sedangkan di daerah tropis konstruksinya dikhususkan untuk melindungi tanaman dari hujan dan angin kencang serta menghindari tanaman dari hama dan penyakit tanaman. Beberapa bentuk penampang melintang rumah tanaman di daerah subtropis dapat dilihat pada Gambar 1.

4 Gambar 1. Bentuk Penampang Melintang Rumah Tanaman di Kawasan Beriklim Sub-Tropis

(Suhardiyanto 2009)

Rumah tanaman merupakan sarana yang tepat untuk melindungi tanaman yang diusahakan dengan sistem hidroponik (Widyastuti 1993). Dalam hubungannya dengan pertumbuhan tanaman, lingkungan fisik tanaman berpengaruh terhadap metabolisme tanaman dan menentukan kelangsungan hidupnya.

2.2.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Aliran dan Distribusi Suhu Udara

2.2.1.

Suhu Udara

Suhu udara merupakan salah satu faktor atau parameter lingkungan yang sangat penting bagi pertumbuhan tanaman. Suhu udara di sekitar tanaman dipengaruhi oleh energi radiasi dari matahari, pindah panas konveksi, laju evaporasi, intensitas radiasi matahari, kecepatan dan arah angin serta suhu udara lingkungan dilihat secara umum.

Suhu udara secara tidak langsung berpengaruh terhadap proses fisik, mekanik dan kimiawi tanaman dan selanjutnya mengendalikan proses biologi dalam tanaman. Pada proses fisik tanaman,

5 suhu udara yang terlalu tinggi dan terlalu rendah akan berdampak buruk bagi tanaman. Pada proses kimiawi tanaman, suhu udara di sekitar tanaman dipertahankan pada kondisi yang optimum. Apabila suhu udara terlalu rendah, maka proses kimiawi seperti pengangkutan unsur-unsur yang terkandung dalam media tanaman tidak akan terangkut seluruhnya karena sebagian jaringan pada tanaman akan mati yang akan menyebabkan terhambatnya pertumbuhan.

Energi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman secara radiasi dipantulkan dari semua permukaan. Energi ini diserap oleh tanaman, lantai, dan setiap permukaan yang terkena langsung. Energi tersebut kemudian diubah menjadi panas. Kelebihan energi digunakan sebagai panas laten dalam evapotranspirasi, memanaskan udara dalam rumah tanaman secara konduksi dan konveksi serta dipantulkan sebagai radiasi gelombang panjang (Businger 1963). Energi yang dipancarkan sebagai radiasi gelombang panjang ini terperangkap dalam rumah tanaman dan terjebak di dalam rumah tanaman sehingga suhu udara di dalam rumah tanaman akan meningkat. Besarnya rata-rata irradiasi matahari di Indonesia adalah 4,8 kWh/m2/day (Kube 1998 diacu Ropiudin dan Kamaruddin) dan besarnya radiasi yang masuk ke dalam rumah tanaman dipengaruhi oleh persamaan Stefan Boltzmann (Esmay dan Dixon 1986):

dimana �_� adalah total energi yang dipancarkan, adalah emisisivitas bahan, ∆T adalah besarnya suhu mutlak dan � adalah konstanta Stefan Boltzmann 5,67 x 10-8 W/m2.K4.

2.2.2.

Kelembaban Relatif Udara

Kelembaban Relatif udara (relative humidity, RH) adalah rasio antara tekanan uap air aktual pada suhu tertentu dengan tekanan uap air jenuh pada suhu tersebut. RH dipengaruhi oleh suhu udara dalam rumah tanaman dan laju migrasi uap air dari tanaman atau tanah ke udara karena adanya perbedaan tekanan uap diantara tempat-tempat tersebut.

Kelembaban yang terlalu rendah menyebabkan tingginya kehilangan air pada tanaman. Kelembaban yang terlalu tinggi menyebabkan tumbuhnya organisme-organisme yang tumbuh di tempat yang lembab seperti jamur dan lumut. Suhu dan kelembaban udara merupakan faktor lingkungan yang penting, karena berpengaruh pada pertumbuhan tanaman dan berperan hampir pada semua proses pertumbuhan.

2.2.3.

Kecepatan Udara

Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasibumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Udara bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke udara bertekanan rendah. Udara yang masuk ke dalam rumah tanaman memiliki laju kecepatan udara yang tergantung pada luas ventilasi.

Laju kecepatan udara berpengaruh pada laju transpirasi, laju evaporasi, serta ketersediaan CO2 dalam udara. Kecepatan udara dan pengaruhnya terhadap tanaman disajikan dalam Tabel 1:

Tabel 1. Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Tanaman

Kecepatan Udara (m/s) Pengaruh

0,1 – 0,25 Memudahkan pengambilan CO2

0,5 Pengambilan CO2 oleh tanaman menurun

1,0 Menghalangi pengambilan CO2 atau

pertumbuhan tanaman > 4,5 Kerusakan fisik tanaman (Krisek 1978 diacu Esmay dan Dixon 1986)

6

2.2.4.

Radiasi Matahari

Menurut Hanan et al. (1978) banyak penelitian mengenai orientasi rumah tanaman yang berkaitan dengan arah mata angin, seperti Lawrence (1963) menunjukkan bahwa rumah tanaman yang berorientasi arah Timur-Barat akan menerima lebih banyak radiasi matahari dibandingkan dengan orientasi arah Utara-Selatan. Harnett (1974) menunjukkan bahwa penelitian yang dilakukan oleh Lawrence menggunakan tipe rumah tanaman multispan arah Timur-Barat menerima lebih banyak radiasi matahari dibandingkan dengan rumah tanaman arah Utara-Selatan.

Selain itu, radiasi juga berpengaruh bagi pertumbuhan tanaman. Radiasi yang paling penting bagi tanaman adalah cahaya tampak yang mempunyai panjang gelombang 390 – 700 nm. Aspek-aspek penting dari cahaya adalah intensitas, durasi dan distribusi spektral. Berikut ini adalah jenis-jenis panjang gelombang dan pengaruhnya terhadap tanaman (Esmay dan Dixon 1986):

Tabel 2. Pengaruh Panjang Gelombang Cahaya Terhadap Tanaman

Panjang Gelombang Pengaruh

Ultra Violet (290 – 390 nm) Tidak menguntungkan bagi pertumbuhan tanaman.

Cahaya Tampak (390 – 700 nm) _{Berpengaruh dalam proses fotosintesis.} Infra Merah (700 – 4000 nm) Berguna bagi perubahan dari fase vegetatif

ke fase generatif tanaman.

Intensitas cahaya merupakan besaran pokok fisika untuk mengukur daya yang dipancarkan oleh suatu sumber cahaya pada arah tertentu per satuan sudut. Besarnya intensitas radiasi matahari yang diterima oleh tanaman tergantung pada jenis tanaman itu sendiri. Penerimaan intensitas matahari pada bunga anggrek cymbidium adalah 1500-1800 candela, sedangkan pada bunga lili. Mawar dan geranium adalah 10000 candela (Esmay dan Dixon 1986). Durasi atau lamanya radiasi yang tersedia mempunyai kaitan dengan pertumbuhan tanaman. Pada pertumbuhan normal tanaman, lama penyinaran yang optimum untuk kelapa sawit adalah 7-5 jam/hari dan untuk kelapa adalah 1800-2000 jam/tahun dengan cahaya yang memiliki panjang gelombang 390 – 700 nm. Distribusi spektral merujuk pada distribusi spektrum cahaya yang diperoleh tanaman (Suhardiyanto 2009).

2.3.

Ventilasi

Sistem ventilasi yang sering digunakan yaitu sistem ventilasi alamiah dan ventilasi mekanis (buatan). Tujuan ventilasi adalah memasukkan udara luar ke dalam rumah tanaman. Secara umum, fungsi atau tujuan dari sistem ventilasi pada bangunan adalah untuk mendinginkan ruangan, memurnikan kembali udara di dalam ruangan dan menghilangkan gas-gas beracun yang terakumulasi di dalam suatu ruangan (Suhardiyanto 2009).

Ventilasi alamiah adalah pertukaran udara di dalam suatu bangunan dengan udara di luarnya tanpa menggunakan kipas atau peralatan mekanik lainnya (Lindley dan Whitaker 1996 diacu Suhardiyanto 2009). Pada sistem ventilasi alamiah akibat faktor termal, pergerakan aliran udara disebabkan akibat adanya efek buoyansi. Efek buoyansi terjadi akibat adanya perbedaan tekanan antara di dalam dan di luar rumah tanaman yang menyebabkan perbedaan kerapatan udara. Tekanan udara di dalam lebih rendah dibandingkan tekanan udara di luar rumah tanaman, sehingga udara luar akan masuk ke dalam rumah tanaman melalui bukaan ventilasi dan mendorong udara di dalam ke luar. Sistem ventilasi akibat faktor angin terjadi karena adanya pergerakan angin yang menerpa rumah tanaman sehingga menyebabkan perbedaan kerapatan udara antara posisi di dalam dan di luar rumah

7 tanaman. Menurut Papadakis et al. (1996) dalam Suhardiyanto (2009) menyatakan bahwa pada saat kecepatan angin di atas 1,8 m/s efek termal terhadap laju ventilasi dapat diabaikan.

Kinerja ventilasi alamiah pada rumah tanaman tergantung kepada rancangan bukaan ventilasi dan lokasi rumah tanaman (Suhardiyanto 2009). Kinerja ventilasi alamiah dinyatakan dalam laju (rate) aliran udara volumetrik yang melewati bukaan ventilasi dengan satuan m3/s per m2 luas bukaan ventilasi (Takakura 1979 diacu Suhardiyanto 2009). Luas lubang bukaan masuk (inlet) sama dengan luas lubang bukaan keluar (outlet). Berikut adalah persamaan yang digunakan untuk menentukan luas bukaan ventilasi pada ventilasi alamiah karena faktor angin (Esmay dan Dixon 1986).

dimana A adalah luas lubang bukaan (m2), Q adalah laju ventilasi (L/s), E adalah efektifitas bukaan (0,5 – 0,6 untuk arah angin tegak lurus dinding: 0,25 – 0,35 untuk arah diagonal), dan V adalah kecepatan linier dari angin (m/s).

Jika suhu udara di dalam bangunan lebih panas dari suhu luar, maka tekanan udara di dalam rumah tanaman akan lebih rendah dari tekanan udara luar sehingga terjadi aliran udara ke dalam bangunan atau inflow apabila tekanan udara dalam lebih besar dari pada luar terjadi aliran udara keluar atau outflow.

Ventilasi mekanis relatif dapat memberikan efek pengendalian suhu yang lebih baik karena dapat dikendalikan sesuai dengan keinginan. Namun, sistem ini memerlukan biaya investasi dan operasional yang harus dipertimbangkan secara ekonomis apabila akan diterapkan pada usaha komersial. Pada prinsipnya, aliran yang diperlukan untuk pertukaran udara di dalam bangunan digerakkan oleh tenaga mekanis dengan peralatan yang disebut kipas angin atau fan (suhardiyanto, 2009).

2.4.

CFD (

Computational Fluid Dynamics

)

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah sebuah ilmu terapan yang mempelajari dinamika aliran fluida dan transfer panas dengan pendekatan model matematika diferensial dan teknik numerik. Dengan menggunakan CFD prediksi aliran di berbagai sistem dapat dilakukan dengan biaya yang relatif murah dan dengan waktu yang relatif singkat dibandingkan dengan menggunakan metode eksperimen (Anonim 2010).

Program CFD dapat memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu menggunakan penyelesaian persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida. Persamaan aliran fluida merupakan persamaan diferensial parsial. Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan menggunakan persamaan diferensial. Berikut adalah contoh hasil simulasi CFD pada rumah tanaman (Campen et al. 2009).

8 Penelitian menggunakan CFD sudah banyak dilakukan sebelumnya, misalnya simulasi pada bangunan pertanian seperti kandang sapi perah oleh Yani et al. (2007), kandang ayam pedaging beratap monitor oleh Muflihati (2006) dan rumah Tradisional Badui dan rumah modern oleh Andhini (2010), serta penggunaan kemasan karton yang dilakukan oleh Adhinata (2008). Penelitian menggunakan CFD lebih ditujukan untuk menganalisis dan mengetahui pola aliran serta distribusi suhu iklim mikro di dalam suatu bangunan atau material.

Computational Fluid Dynamics atau CFD adalah suatu sistem dari konsep dasar aliran fluida dan pindah panas yang menggunakan simulasi berbasis computer (Wulandani et al. 2001). CFD dapat melakukan analisis aliran fluida pada suatu bangunan dengan terlebih dahulu menyelesaikan persamaan-persamaan fluida yang mengatur aliran fluida. Persamaan pengatur (governing equations) ini dibangun dari suatu model aliran fluida berdasarkan prinsip kekekalan massa dan prinsip kekekalan momentum atau persamaan Navier-Stokes (Anonim 2010). Komputer digital tidak akan dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut secara langsung.

Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial, koordinat kartesian dan dipecahkan menggunakan teknik CFD tiga dimensi yang didasarkan pada analisis numerik. CFD terdiri dari tiga elemen utama, yaitu:

1) Pre-Processor

Elemen pre-processor terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya menjadi bentuk yang sesuai dengan pemecahan solver. Input yang diberikan ini berupa :

a. Pendefinisian geometri dari daerah yang dianalisis.

b. Penentuan jenis aliran (eksternal atau internal)

c. Pemilihan fenomena fisik yang diperlukan seperti gravitasi, kecepatan angin, dan jenis material.

d. Penentuan sifat-sifat fluida (konduktivitas, massa jenis, viskositas, panas jenis, dan sebagainya).

e. Penentuan mesh. f. Penentuan domain.

g. Penentuan kondisi batas yang sesuai.

h. Penentuan goal atau keluaran yang ingin dicapai.

Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu udara, dan lain-lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel maka ketelitian hasil pemecahan akan semakin baik (Tuakia 2008).

2) Solver

Solver adalah pemecahan model persamaan dasar aliran fluida (model persamaan konservasi massa atau kontinuitas, momentum dan energi) menggunakan analisa numerik. Persamaan dasar aliran fluida (persamaan diferensial parsial) ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar yang sederhana yang disebut dengan metoda diskritisasi. Diskritisasi adalah proses transformasi persamaan diferensial parsial menjadi persamaan matematik yang lebih sederhana (Anonim 2010). Umumnya persamaan diskrit yang dihasilkan dari integrasi persamaan diferensial parsial pada volume kontrol adalah dalam bentuk persamaan implisit. Salah satu cara untuk menyelesaikan persamaan implisit yang terdiri dari banyak persamaan individual dihasilkan adalah dengan metode iterasi (Anonim 2010).

9 Proses iterasi adalah membuat sebuah tebakan terhadap nilai variabel- variabel yang terdapat pada persamaan implisit. Proses iterasi terus dilakukan sampai selisih antara ruas kiri dan ruas kanan persamaan (residual error) mencapai nilai tertentu yang mendekati nol atau dapat dikatakan dengan konvergen (Anonim 2010).

3) Post-Processor

Setelah persamaan tersebut kovergen, maka properti fluida dan aliran yang menjadi variabel pada persamaan dapat ditampilkan. Properti fluida dan aliran yang ditampilkan berupa model pindah panas yang dihasilkan dalam distribusi suhu udara, vektor dan distribusi kecepatan angin menjadi bentuk-bentuk sebagai berikut:

a. Tampilan geometri domain dan grid b. Plot vektor

c. Plot permukaan 2D dan 3D d. Tracking partikel

e. Manipulasi pandangan f. Output berwarna

2.5.

SolidWorks

Perkembangan teknologi CAD terus berkembang dengan pesat seiring tuntutan industri yang menginginkan kemudahan dalam pembuatan gambar yang diperuntukkan bagi proses produksi. Software CAD yang pada awalnya berupa teknologi 2D, kini telah beralih ke teknologi 3D. Penggunaan software SolidWorks juga telah digunakan pada penelitian sebelumnya untuk mempermudah penggambaran geometri rumah tanaman seperti yang dilakukan oleh Andhini (2010). Saat ini terdapat begitu banyak software CAD 3D yang beredar di pasaran. SolidWorks adalah salah satu software yang populer diantara sekian banyak software CAD 3D yang ada (Prabowo 2009).

SolidWorks adalah software CAD 3D yang sangat mudah digunakan (easy to use). Software tersebut adalah software automasi desain yang berbasis parametrik yang memudahkan penggunanya dalam mengedit file-file gambar yang sudah dibuat. SolidWorks biasa digunakan untuk membuat gambar sederhana maupun gambar yang kompleks atau rumit (Prabowo 2009).

10

III.

METODE PENELITIAN

3.1.

Waktu dan Tempat Penelitian

Kegiatan penelitian ini dilakukan di rumah tanaman laboratorium Lingkungan dan Bangunan Pertanian di Leuwikopo. Penelitian dilaksanakan pada bulan Juli 2010.

3.2.

Alat dan Bahan Penelitian

 Rumah tanaman

Rumah tanaman yang digunakan dalam penelitian bertipe modified standar peak dengan kemiringan atap 15o, arah orientasi utara selatan, 106,42 BT, 6,33 LS. Rumah tanaman tersebut berukuran panjang 12 m, lebar 6 m, tinggi dinding beton 0,5 m, tinggi screen 3 m dan tinggi bubungan 1,64 m dengan ventilasi dinding kasa kawat 1 mm2 dan menggunakan konstruksi besi. Atap rumah tanaman menggunakan bahan plastik PE (polycarbonate) transparan dengan ketebalan 0,02 mm. Lantai rumah tanaman dilapisi semen (concrete) dengan pondasi sedalam 10 cm.

 Meteran

Untuk mengukur dimensi rumah tanaman.  Weather Station

Weather station berfungsi untuk mengukur besarnya suhu udara lingkungan, kelembaban udara lingkungan, intensitas radiasi matahari, arah dan kecepatan angin

 Hybrid Recorder dan Termokopel

Hybrid Recorder digunakan untuk mendapatkan besarnya suhu udara pada titik-titik pengukuran yang telah ditentukan dan dihubungkan dengan termokopel.

 Personal computer dan software SolidWorks2009

Untuk menggambar geometri rumah tanaman dan menjalankan simulasi aliran (flow simulation).

3.3.

Metodologi

3.3.1.

Pengukuran Dimensi dan Gambar Geometri Rumah Tanaman

Pengukuran dilakukan pada semua bagian rumah tanaman yang akan digambar geometrinya seperti dimensi rumah tanaman (panjang, lebar, dan tinggi), ukuran ventilasi, atap serta bahan penyusun rumah tanaman. Gambar dan dimensi rumah tanaman digambar menggunakan software SolidWork 2009. Beberapa gambar detail seperti kerangka besi pada screen dan kuda-kuda atap rumah tanaman diasumsikan tidak ada karena mempunyai pengaruh yang kecil dalam pola aliran dan distribusi suhu udara.

3.3.2.

Pengukuran Parameter Iklim Mikro

Pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman menggunakan termokopel yang datanya direkam dalam hybrid recorder. Titik-titik pengukuran suhu udara diletakkan di dalam rumah tanaman dan komponen-komponen penyusun yang memiliki pengaruh besar pada pindah panas di dalam rumah tanaman seperti dinding, atap dan lantai serta titik-titik yang

11

U

sensitif terhadap perubahan suhu. Titik-titik pengukuran suhu yang diletakkan di dalam rumah tanaman merupakan titik-titik yang digunakan untuk membandingkan antara hasil pengukuran dan hasil analisis menggunakan CFD. Denah titik-titik pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Denah titik-titik pengukuran suhu udara dalam rumah tanaman

Titik-titik pengambilan suhu udara di dalam rumah tanaman berjumlah 13 titik yang terdiri dari 3 titik pengukuran komponen penyusun rumah tanaman dan 10 titik pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman untuk validasi. Pada sumbu x dan sumbu z adalah sumbu yang mengarah ke samping dan depan rumah tanaman, sedangkan sumbu y adalah sumbu yang mengarah ke atas atau dapat dikatakan untuk mengetahui tinggi rumah tanaman. Tinggi titik pengukuran yang digunakan adalah 170 cm dan 300 cm karena hal ini merupakan zona tanaman (plant zone) yang berpengaruh terhadap pergerakan aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Titik-titik pengukuran untuk validasi dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Titik-titik pengukuran untuk validasi (cm)

Titik x y z

1 -187.5 170 201.7

2 -187.5 170 201.7

3 187.5 170 201.7

4 187.5 170 201.7

5 0 300 302.5

6 0 170 302.5

7 0 300 0

8 0 170 0

9 0 170 -302.5

10 0 300 -302.5

1 5

6

2 3

4

9 10 7 8

Belakang

Depan

12 Besarnya kecepatan udara, radiasi matahari dan kelembaban udara di luar rumah tanaman diukur menggunakan weather station. Letak weather station berada 3 meter dari rumah tanaman untuk mewakili kondisi lingkungan di luar rumah tanaman tanpa dipengaruhi oleh bangunan dan pohon yang ada disekitarnya. Parameter lingkungan di dalam bangunan yang diukur adalah suhu. Suhu yang diperoleh diukur menggunakan termokopel yang datanya disimpan dalam hybrid recorder.

Pengambilan data hasil pengukuran dilakukan setiap 1 jam sekali. Pengukuran dimulai pada pukul 00:00 hingga pukul 23:00 selama satu hari. Hybrid recorder dipasang pada rentang pengambilan data setiap 10 menit dengan lama waktu pengukuran 24 jam.

3.3.3.

Simulasi Menggunakan CFD

Data pengukuran dimensi rumah tanaman yang diperoleh digunakan untuk menggambar model dengan menggunakan software SolidWork 2009 (Prabowo 2009). Besarnya suhu udara lingkungan, kelembaban udara lingkungan, intensitas radiasi matahari, arah dan kecepatan angin serta bahan penyusun rumah tanaman dijadikan sebagai input-an untuk simulasi

Simulasi menggunakan CFD dilakukan sesuai dengan desain awal dan desain modifikasi. Modifikasi pada rumah tanaman dilakukan dengan mengubah kemiringan atap menjadi 30o dan 45o. Modifikasi ini hanya menganalisis aliran dan distribusi suhu udara dalam rumah tanaman terhadap perubahan kemiringan atap dan tidak menganalisis struktur bangunan. Hasil simulasi distribusi suhu udara akan ditampilkan dalam bentuk kontur potongan 2 dimensi dan vektor aliran udara yang dilihat dari depan dan samping rumah tanaman. Software CFD juga memperlihatkan nilai suhu pada titik-titik yang digunakan untuk validasi simulasi.

Rumah tanaman yang digunakan untuk penelitian di dalamnya terdapat tanaman tomat dengan ketinggian 50 cm. Dalam simulasi CFD, terdapat asumsi-asumsi yang digunakan yaitu sebagai berikut :

a) Udara bergerak dalam keadaan steady. b) Udara tidak terkompresi.

c) Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan. d) Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.

e) Pondasi (kuda-kuda) dalam rumah tanaman dianggap tidak ada.

f) Dinding rumah tanaman berupa kasa dianggap tidak berpengaruh pada kecepatan dan arah pergerakan udara.

g) Kondisi di dalam rumah tanaman adalah kosong.

h) Tanaman tomat yang dibudidayakan di dalam rumah tanaman tidak menghasilkan panas dan tidak menghambat pergerakan udara.

13 Dalam menjalankan simulasi CFD terdapat langkah-langkah yang harus dilakukan:

Gambar 4. Diagram alir dalam proses simulasi CFD (Anonim 2010).

3.3.4.

Validasi

Validasi dilakukan untuk membandingkan antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi menggunakan CFD pada titik-titik tertentu yang diinginkan. Besarnya error dalam validasi dihitung menggunakan rumus (Yani et al. 2007) sebagai berikut:

Error (%) =

(p – u)

x 100% ……….... (3)

p

dimana p adalah nilai suhu udara hasil simulasi (oC) dan u adalah nilai suhu udara hasil pengukuran (oC).

3.3.5.

Modifikasi Kemiringan Atap Rumah Tanaman

Setelah diperoleh hasil simulasi menggunakan CFD, dilakukan modifikasi rumah tanaman pada kemiringan atap untuk mengetahui pengaruhnya terhadap sebaran aliran udaranya. Dalam hal ini modifikasi dilakukan pada kemiringan atap rumah tanaman menjadi 30o dan 45o. Perubahan kemiringan atap ditujukan agar dapat dilihat pola aliran dan distribusi suhu udara yang terjadi di dalam rumah tanaman. Modifikasi desain pada kemiringan atap rumah tanaman dapat dilihat pada Gambar 5.

(a) (b) (c)

Gambar 5. Modifikasi kemiringan atap rumah tanaman tampak depan, (a) kemiringan atap 15o, (b) kemiringan atap 30o, dan (c) kemiringan atap 45o

14

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1.

Suhu Udara

Hasil pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman pada beberapa titik dapat dilihat pada Gambar 6. Grafik suhu udara di dalam rumah tanaman menyerupai bentuk parabola dari pukul 10:00 suhu di setiap titik pengukuran mengalami kenaikan perubahan suhu yang drastis sebesar dari dan pada batas suhu tertentu kembali menurun dan kemudian naik lagi. Suhu udara pengukuran tertinggi diukur pada pukul 12:00 yaitu 31,90oC di titik 9, sedangkan suhu elemen rumah tanaman tertinggi diukur pada suhu atap yaitu 33,21oC. Suhu udara pengukuran terendah ditunjukkan pada pukul 05:00 yaitu 22,50oC di titik 1, 3, dan 5, sedangkan suhu elemen rumah tanaman terendah diukur pada suhu dinding yaitu 23,69oC.

Gambar 6. Grafik suhu udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010).

Suhu udara di luar rumah tanaman merupakan faktor yang berpengaruh terhadap kondisi suhu udara di dalam rumah tanaman. Suhu udara di luar biasanya lebih rendah dibandingkan suhu udara di dalam rumah tanaman. Hal ini karena suhu udara di luar bangunan dipengaruhi oleh pergerakan angin yang bergerak bebas di alam terbuka, sedangkan suhu udara yang berada di dalam bangunan dipengaruhi oleh angin yang terjebak di dalam rumah tanaman sehingga pergerakannya relatif kecil.

Pengukuran suhu udara dalam rumah tanaman dan suhu elemen rumah tanaman dibedakan berdasarkan terkena atau tidaknya titik pengukuran oleh proses pengkabutan. Untuk titik pengukuran yang terkena proses pengkabutan pada siang hari grafik suhu udara tampak bergelombang, sedangkan titik pengukuran yang tidak terkena proses pengkabutan dapat mencapai puncak suhu udara maksimum. Pada Gambar 6, grafik suhu udara terlihat menurun setelah pukul 20:00 dan setelah pukul 00:00 grafik suhu udara mengalami penurunan. Hal ini juga ditunjukkan oleh suhu udara lingkungan rumah tanaman pada Gambar 7.

Pada pengukuran suhu udara lingkungan rumah tanaman, suhu udara yang paling tinggi terjadi pada pukul 12:00 sebesar 29,7oC dimana saat itu puncak intensitas matahari juga terjadi pada

22 24 26 28 30 32 34

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

S uh u U d a ra ( oC)

Waktu setempat (WIB)

Titik 1 Titik 2 Titik 3 Titik 4 Titik 5 Titik 6 Titik 7 Titik 8 Titik 9 Titik 10 Atap Lantai Dinding

15 pukul 12:00. Suhu udara terendah terjadi pada pukul 05:00 sebesar 23oC, hal ini karena pada pukul tersebut terjadi proses kondensasi di sekitar rumah tanaman.

Gambar 7. Grafik suhu udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010).

Menurut Lippsmeier (1997), panas tertinggi dicapai kira-kira 1-2 jam setelah tengah hari, karena pada saat itu radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara yang sudah tinggi, sedangkan suhu terendah sekitar 1-2 jam sebelum matahari terbit. Pada siang hari hal ini terlihat berbeda apabila dalam rumah tanaman dipasang sprayer otomatis yang menyala jika suhu udara di dalam rumah tanaman mencapai 31oC, suhu akan mencapai puncak maksimum pada pukul 12:00 dan sampai pukul 16:00 suhu udara lingkungan berubah-ubah sesuai dengan batas maksimum yang terdapat pada sprayer.

Dari hasil pengukuran di lapangan, suhu udara tertinggi pada siang hari terjadi pada pukul 12:00 dan kembali menurun drastis setelah pukul 12:00, hal ini disebabkan karena di dalam rumah tanaman terdapat sprayer yang diatur secara otomotis menyala apabila suhu sudah mencapai 31oC. Data suhu dalam rumah tanaman pada tanggal 16 Juli 2010 terdapat pada Lampiran 1.

4.2.

Kelembaban Udara

Kelembaban udara lingkungan tertinggi terjadi pada pukul 03:00 sampai 07:00 sebesar 96% yang dapat dilihat pada Gambar 8. Dari grafik RH menunjukkan RH dari pukul 03:00 sampai 07:00 adalah konstan. Kelembaban udara terendah terjadi pada pukul 13:00 dan RH akan meningkat kembali setelah pukul 14:00 kemudian konstan pada pukul 21:00. Kelembaban udara relatif pada malam hari cenderung konstan dan pada sianghari cenderung mengalami penurunan. Ini dikarenakan pada malam hari kecepatan angin di sekitar bangunan konstan, sedangkan pada siang hari kecepatan angin berubah-ubah.

22 23 24 25 26 27 28 29 30

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

S

uh

u

uda

ra

(

oC)

Waktu setempat (WIB)

16 Gambar 8. Grafik kelembaban udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010).

RH akan mengalami penurunan pada waktu siang hari dimana suhu udara pada siang hari meningkat, sehingga dapat dikatakan suhu dan kelembaban udara berbanding terbalik. Lippsmeier (1997) mengatakan bahwa titik jenuh akan naik dengan meningkatnya suhu sehingga menyebabkan RH menurun. Kombinasi suhu udara dan kelembaban mempunyai pengaruh yang kuat terhadap kualitas udara di dalam ruangan (Priyanto). Besarnya kelembaban udara lingkungan yang terjadi pada suatu waktu diukur dengan suatu kapasitor tipis yang terdapat pada weather station.

4.3.

Radiasi Matahari

Gambar 9 menunjukkan grafik radiasi matahari menyerupai bentuk parabola. Nilai radiasi terendah adalah 132 W/m2 pada pukul 07:00 dan nilai radiasi tertinggi adalah 741 W/m2 pada pukul 12:30. Dari grafik terlihat besar irradiasi akan mengalami kenaikan secara signifikan yang dimulai pukul 08:00. Pada pukul 14:30 besar irradiasi matahari mengalami penurunan yang signifikan. Besarnya radiasi matahari sangat dipengaruhi oleh letak lintang dari suatu daerah atau wilayah. Indonesia yang dilewati oleh garis lintang 0o atau khatulistiwa tentunya akan mendapatkan radiasi matahari lebih besar.

Gambar 9. Grafik perubahan radiasi matahari (16 Juli 2010). 60 65 70 75 80 85 90 95 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

RH

(

%)

Waktu setempat (WIB)

Hum 0 100 200 300 400 500 600 700 800 6:0 0 6:3 0 7:0 0 7:3 0 8:0 0 8:3 0 9:0 0 9:3 0

10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00

Ra dia si M a ta h a ri (W/ m 2)

Waktu setempat (WIB)

17 Besarnya energi radiasi matahari yang ditransmisikan melalui struktur permukaan rumah tanaman menyebabkan suhu di dalam rumah tanaman akan lebih tinggi dari pada suhu lingkungan (Mastalerz 1977). Intensitas cahaya harian akan meningkat secara bertahap dari 0 W/m2 pada pagi hari dan akan mencapai puncak maksimum pada siang hari. Intensitas cahaya kemudian menurun secara bertahap pada sore hari hingga kembali 0 W/m2 (Nelson 1973). Hubungan antara pengaruh besarnya radiasi matahari terhadap suhu udara terdapat pada Persamaan 1.

4.4.

Simulasi CFD

4.4.1.

Penggambaran Geometri

Penggambaran model simulasi rumah tanaman menggunakan software SolidWorks 2009. Model rumah tanaman dan pengkondisian keadaan sekitar bangunan kemudian disimulasikan dengan flow simulation. Rumah tanaman yang digambarkan berukuran 1220 x 624 x 514 cm dalam koordinat kartesian dengan titik (0,0,0) terletak di tengah-tengah bangunan dengan dimensi: lebar mengarah pada sumbu x, panjang mengarah pada sumbu z dan tinggi mengarah pada sumbu y. Model rumah tanaman dan computational domain dapat dilihat pada Gambar 10 dengan sumbu z sebagai arah Utara. Model rumah tanaman tampak depan beserta keterangannya dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 10. Domain dan geometri rumah tanaman tampak piktorial

Gambar 11. Rumah tanaman tampak depan dan keterangannya

screen

dinding beton lantai

18

4.4.2.

Analisis Aliran dan Distribusi Suhu Udara Hasil Simulasi

Analisis aliran dan distribusi suhu udara dilakukan saat budidaya tanaman tomat berumur satu bulan. Tanaman tomat diasumsikan tidak berpengaruh terhadap penambahan panas dan pergerakan pola aliran udara di dalam rumah tanaman karena tinggi tanaman tomat rata-rata 50 cm dan memiliki jumlah daun yang sedikit serta luas permukaan daun yang kecil. Pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman dilakukan 24 jam di daerah Leuwikopo yaitu tanggal 16 Juli 2010. Waktu yang digunakan untuk simulasi yaitu pukul 00:00, 07:00, 12:00, dan 17:00 karena pada waktu-waktu tersebut terjadi pergerakan suhu yang signifikan sehingga diperoleh hasil yang berbeda setiap simulasi.

Screen rumah tanaman terbuat dari kasa berukuran 1,5 mm2 yang melapisi setiap screen bawah dan screen atas rumah tanaman. Komponen rumah tanaman yang digunakan sebagai input adalah atap dan lantai yang sifat-sifat bahannya dapat dilihat pada Tabel 5. Karakteristik yang juga menjadi input-an dalam simulasi CFD meliputi geometri rumah tanaman, sifat fisik udara rumah tanaman (suhu udara lingkungan, kelembaban udara lingkungan, radiasi matahari, arah dan kecepatan angin) yang terdapat pada Tabel 4. Output yang ditampilkan berupa potongan (irisan) kontur suhu dan vektor kecepatan aliran udara. Suhu dan vektor aliran udara yang ditampilkan berupa suhu udara hasil simulasi CFD pada titik tersebut. Analisis aliran dan distribusi suhu udara hasil simulasi dilakukan pada domain. Hasil yang diperoleh ditampilkan dari tampak depan dan tampak samping kanan.

Tabel 4. Masukan data untuk simulasi CFD (16 Juli 2010)

Masukan 00:00 07:00 12:00 17:00

Suhu udara lingkungan (oC) 24,38 23,24 29,72 27,81

Suhu atap (oC) 28,69 27.97 32,73 30,71

Suhu lantai (oC) 28,10 25,90 31,70 30,00

Kecepatan angin (m/s) - - 0,4 0,4

Arah angin - - Z Z dan -X

RH (%) 95 96 76 81

Tipe analisis eksternal eksternal internal internal

Media porus D = 1,5 mm2

Tabel 5. Sifat-sifat bahan atap dan lantai rumah tanaman sebagai input CFD

Sifat Bahan

Satuan Atap (polikarbonat)

Lantai (semen)

Kerapatan (ρ) kg/m3 1220 2300

Konduktivitas panas (K) W/(m.K) 0,21 0,76

(Cardarelli 2000)

Radiasi matahari sangat berpengaruh terhadap peningkatan suhu udara di dalam rumah tanaman. Radiasi matahari yang masuk melalui atap, diterima oleh lantai dan struktur rumah tanaman lainnya. Pada atap dan lantai terjadi pindah panas secara konveksi ke seluruh bagiannya. Atap yang terbuat dari polikarbonat menerima radiasi secara langsung, sehingga suhu atap meningkat dengan penambahan radiasi matahari.

Mesh yang digunakan pada tingkatan 4 dengan ukuran gap minimum dan ketebalan dinding minimum sebesar 0,25 m.Jumlah seluruh cell yang terbentuk terdiri dari fluid cells dan solid cells serta iterasi dilakukan hingga global goals mencapai konvergen. Hasil iterasi dan jumlah cell yang terbentuk dapat dilihat pada tabel berikut.

19 Tabel 6. Hasil iterasi dan jumlah cells.

00:00 07:00 12:00 17:00 Iterasi 174 137 293 155

Fluid cells 49663 49663 62896 62896

Solid cells 2632 2632 352 352

Partial cells 16193 16193 29206 29206

Simulasi yang digunakan merupakan tipe aliran internal dan aliran eksternal. Tipe aliran internal digunakan untuk analisis simulasi yang kecepatan udaranya 0 m/s sedangkan tipe aliran eksternal digunakan untuk analisis simulasi yang memiliki kecepatan angin lebih dari 0 m/s dimana aliran udara yang masuk bisa berasal dari beberapa arah dan keluar sesuai dengan kondisi geometri rumah tanaman. Pemilihan aliran internal dan aliran eksternal dalam melakukan simulasi disesuaikan dengan typeboundary condition dalam simulasi CFD yang meliputi flow opening, pressure opening, dan wall. Flow opening menyatakan arah dan besar kecepatan angin yang menjadi input, pressure opening menyatakan besarnya tekanan udara lingkungan, dan wall menyatakan besarnya suhu yang dijadikan kondisi batas seperti suhu atap dan suhu lantai. Dalam simulasi aliran eksternal ini udara masuk ke dalam daerah domain dari arah Utara (sumbu z) dan arah Timur (sumbu -x) rumah tanaman, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12 merupakan boundary condition sebelum melakukan proses running dalam simulasi CFD pada pukul 17:00 dan computational domain dengan jarak masing-masing 6 m dari bagian terluar (dinding beton).

20

4.4.3.

Analisis Aliran Udara dalam Bangunan

Perhitungan untuk mendapatkan kecepatan angin dari arah Timur Laut pada simulasi CFD dengan menggunakan persamaan pytagoras dapat dilihat pada Gambar 14 dan arah mata angin terhadap rumah tanaman (dilihat Gambar 13). Besaran nilai kecepatan angin divektorkan agar diketahui masukan nilai X dan Z yang akan digunakan dalam simulasi CFD. Berikut adalah data kecepatan angin yang dijadikan sebagai data input menggunakan analisis vektor.

Tabel 7. Inputan data kecepatan angin (16 Juli 2010) Pukul 17:00

Pengukuran arah angin Timur Laut

Kecepatan angin (m/s) -0,37 0,37

Arah X Z

Gambar 13. Rumah tanaman tampak atas beserta arah mata angin

Gambar 14. Vektor angin. Vtimur = Vutara = Vtimur laut cos 45o

= 0,4 x 0,707 = 0,37 m/s

0.37 m/s Selatan

Utara

Timur Barat

21

4.4.4.

Hasil Simulasi CFD

Hasil simulasi CFD dibagi menjadi empat waktu dalam satu hari yaitu pukul 00:00 pada Gambar 15, pukul 07:00 pada Gambar 16, pukul 12:00 pada Gambar 17 dan pukul 17:00 pada Gtambar 18. Suhu di dalam rumah tanaman selalu terlihat lebih tinggi dibandingkan suhu udara lingkungan. Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada atap dan lantai ke udara, hal ini diperlihatkan dengan suhu udara yang lebih tinggi semakin dekat dengan atap dan lantai.

Gambar 15. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 00:00. Gambar 15 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 00:00. Suhu udara tertinggi sebesar 25,3 oC dan suhu udara terendah sebesar 24,3 oC. Penyebaran suhu udara yang lebih tinggi hampir merata di seluruh bagian dalam rumah tanaman terutama pada sekitar atap dan dinding. Hal ini disebabkan oleh atap dan dinding yang masih menyimpan panas akibat radiasi matahari pada siang hari. Besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan mempengaruhi pola aliran di bagian atas atap rumah tanaman, dimana suhu atap sebesar 28,69 oC dan suhu udara lingkungan 24,3 oC. Pergerakan aliran udara yang ditunjukkan pada Gambar 15 (bawah) bergerak lurus ke atas dan kecepatan angin yang tinggi berada di bagian atas rumah tanaman sementara data hasil pengukuran kecepatan angin di luar rumah tanaman 0 m/s. Hal ini disebabkan oleh udara mengalir dari posisi dengan suhu yang lebih tinggi yang dimiliki oleh atap ke posisi dengan suhu yang lebih rendah yaitu lingkungan di sekitar rumah tanaman yang menyebabkan perbedaan kerapatan udara.

Gambar 16 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 07:00. Suhu udara tertinggi sebesar 24,2 oC berada di sekitar atap dan suhu udara terendah adalah suhu udara lingkungan sebesar 23,2 oC. Suhu yang lebih tinggi hanya terdapat di sekitar atap dan penyebaran suhu udara di dalam rumah tanaman relatif lebih seragam. Seperti halnya pada Gambar 15, pergerakan arah angin yang ditunjukkan pada Gambar 15 (bawah) bergerak lurus ke atas dan kecepatan angin yang tinggi berada di bagian atas rumah tanaman sementara data hasil pengukuran kecepatan angin di luar rumah tanaman 0 m/s. Hal ini disebabkan oleh udara mengalir dari posisi dengan suhu yang lebih tinggi yang dimiliki oleh atap ke posisi dengan suhu yang lebih rendah yaitu lingkungan di sekitar rumah tanaman yang akan menyebabkan perbedaan kerapatan

22 udara. Besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 29,97 oC dan 23,2 oC.

Timbulnya pergerakan udara tanpa disebabkan oleh adanya kecepatan angin juga dapat terjadi karena perbedaan kerapatan udara yang juga akan berpengaruh terhadap besarnya suhu udara. Kerapatan udara yang rendah menyebabkan suhu udara dan kecepatan angin meningkat. Kerapatan udara yang tinggi biasanya terdapat pada ventilasi bukaan atap dan dinding rumah tanaman.

Gambar 16. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 07:00.

23 Gambar 17 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 12:00 atau tepat tengah hari. Besarnya kecepatan angin yang terukur adalah 0,4 m/s dari arah Utara rumah tanaman atau sumbu z dan besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 32,73oC dan 29,7oC. Suhu udara yang lebih tinggi cenderung terdapat di sekitar atap dan karena adanya pindah panas konveksi antara atap dan lantai ke udara menyebabkan suhu yang lebih tinggi menyebar merata di seluruh bagian dalam rumah tanaman. Pada rumah tanaman tampak samping, suhu yang lebih tinggi berada di sekitar atap bagian depan dan semakin ke atap bagian belakang suhu udara semakin rendah, ini karena arah angin hanya berasal dari arah depan rumah tanaman. Pada Gambar 17 (bawah) terjadinya aliran Eddy yang membuat kecepatan angin tinggi di bagian depan rumah tanaman, hal ini yang disebabkan oleh angin yang berasal dari bagian depan rumah tanaman menabrak screen yang memiliki kerapatan udara lebih yang rendah sehingga menyebabkan sebagian udara bergerak ke atas. Karena kecepatan angin di luar rumah tanaman lebih besar, maka daerah yang menjadi tempat belokan arah aliran udara memiliki kecepatan yang lebih tinggi yang dapat menyebabkan terjadinya olakan di bagian depan rumah tanaman. Pergerakan arah angin di luar rumah tanaman juga terlihat menuju ke bagian belakang yang disebabkan selain akibat adanya angin yang berasal dari satu arah, perbedaan suhu atap dan suhu udara lingkungan rumah tanaman juga mempengaruhi.

Gambar 18. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 17:00. Gambar 18 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 17:00. Besarnya kecepatan angin yang terukur adalah 0,4 m/s dari arah Timur Laut rumah tanaman atau 0,37 m/s dari arah Utara (sumbu z) dan 0,37 m/s dari arah Timur (sumbu –x) yang masing-masing besarnya kecepatan angin tersebut dihitung menggunakan persaman pytagoras dan besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 30,71oC dan 27,4oC. Kenaikan suhu udara yang lebih tinggi tersebar di seluruh bagian dalam rumah tanaman yang dikarenakan adanya kecepatan angin yang berasal dari arah timur laut. Angin yang membawa suhu yang lebih dingin masuk ke dalam rumah tanaman dari arah Utara dan Timur menyebabkan suhu di sekitar ventilasi yang diberi lingkaran merah menjadi lebih rendah. Pergerakan aliran udara pada Gambar 18 (bawah) terlihat kecepatan angin yang tinggi dan tersebar merata di atas rumah tanaman karena adanya angin yang berasal dari dua arah. Pindah panas konveksi antara atap dan udara

24 lingkungan sekitar atap serta adanya angin memperlihatkan hasil yang nyata terhadap distribusi suhu udara.

Perbedaan aliran dan distribusi suhu udara pada Gambar 15, 16, 17, dan 18 disebabkan karena faktor termal. Menurut Suhardiyanto (2009) ventilasi alamiah akibat faktor termal adalah pergerakan udara keluar dari dan/atau masuk ke rumah tanaman yang terjadi karena dipicu oleh adanya efek buoyansi. Efek buoyansi ini disebabkan oleh perbedaan kerapatan udara di dalam dan di luar rumah tanaman. Ventilasi akibar faktor termal menyebabkan terdapatnya suatu bidang dimana tidak terjadi aliran udara karena tekanan udara di dalam dan di luar bangunan besarnya sama yang disebut bidang tekanan netral (Yani et al. 2007). Faktor angin dan termal ini dimanfaatkan untuk menggerakkan udara dan menentukan laju ventilasi alamiah yang terjadi. Laju ventilasi diukur dengan satuan massa udara per unit waktu (Mastalerz 1977). Laju pertukaran udara dipengaruhi oleh total luas bukaan, arah bukaan, kecepatan angin dan perbedaan suhu di luar dan di dalam bangunan (Mastalerz 1977).

Kisaran beda suhu udara yang terjadi di dalam dan di luar rumah tanaman tidak terlalu besar. Pola pergerakan udara dan bukaan ventilasi menentukan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Udara yang masuk melalui bukaan dinding dan keluar melalui bukaan atap membantu dalam membuang panas yang dapat merugikan tanaman. Suhu udara yang semakin tinggi di dalam rumah tanaman salah satu penyebabnya adalah besarnya kecepatan angin dan dari mana arah angin berasal.

Jika terdapat aliran fluida di atas permukaan benda yang dipanaskan atau didinginkan, velocity boundary layer dan thermal boundary layer akan terbentuk secara bersamaan. Fenomena ini menunjukkan kecepatan udara yang mengalir di atas permukaan benda tersebut mempunyai pengaruh besar terhadap konveksi pindah panas yang terjadi (Cengel dan Turner 2001 dalam Suud 2009).

Arah angin tidak berpengaruh terhadap laju pertukaran udara pada ventilasi akibar faktor termal dan angin (Bot 1982, Kittas et al. 1996 diacu Suhardiyanto 2009). Pada ventilasi akibat faktor angin, arah angin merupakan salah satu faktor yang berpengaruh (Brockett dan Albright 1987 dalam Suhardiyanto 2009).

4.5.

Validasi Suhu Udara Hasil Simulasi

Hasil penelitian menunjukkan bahwa hasil simulasi suhu udara di dalam rumah tanaman mendekati hasil pengukuran (Gambar 19). Pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman menggunakan 10 titik. Untuk melakukan validasi, titik-titik yang digunakan adalah yang mewakili letak titik pengukuran di dalam rumah tanaman, yaitu titik 1 (-187,5; 170; 201,7), titik 4 (187,5; 170; 201,7), dan titik 10 (0; 300; -302,5). Perbandingan suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 16 Juli 2010 dapat dilihat pada Gambar 19.

25 Gambar 19. Perbandingan suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan hasil

pengukuran (16 Juli 2010)

Suhu udara hasil simulasi di dalam rumah tanaman cenderung lebih seragam dibanding hasil pengukuran. Perbedaan suhu udara pada setiap titik pengukuran juga dipengaruhi oleh kecepatan angin di dalam rumah tanaman. Kecepatan udara yang rendah terjadi karena angin yang masuk ke dalam rumah tanaman dihambat oleh screen yang berukuran kecil dan juga angin yang telah berada di dalam rumah tanaman terhalangi oleh bedengan dan peralatan penelitian lainnya sehingga membuat suhu udara tidak terdistribusi dengan baik. Selain itu, asumsi yang digunakan dalam simulasi tidak memperhitungkan adanya bedengan dan alat-alat penelitian di dalam rumah tanaman. Hal ini juga dapat ditunjukkan oleh nilai error yang diperoleh dari hasil perhitungan pada Lampiran 3, dimana error yang dihasilkan adalah pada pukul 00:00 sebesar 1,44%, pukul 07:00 sebesar 1,83%, pukul 12:00 sebesar 2,34% dan pukul 17:00 sebesar 1,49%. Hal ini disebabkan karena dalam menjalankan simulasi, kondisi di dalam rumah tanaman diasumsikan kosong sehingga pergerakan aliran dan distribusi suhu udara hanya dipengaruhi oleh pindah panas konveksi antara atap dan lantai ke udara tanpa dipengaruhi pindah panas konveksi oleh elemen-elemen yang ada di dalam rumah tanaman seperti bedengan hidroponik dan tangki air, serta saat proses pengkabutan berlangsung terdapat sprayer yang tersumbat sehingga ada beberapa titik yang tidak terkena proses pengkabutan tersebut.

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Su hu Uda ra ( oC)

Waktu setempat (WIB)

Titik 1 ukur

Titik 1 simulasi Titik 4 ukur

Titik 4 simulasi Titik 10 ukur

Titik 10 simulasi

26 Gambar 20. Hubungan linier antara suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan

pengukuran (16 Juli 2010)

Pengujian keakuratan hasil simulasi dapat dilakukan dengan analisis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu udara hasil pengukuran dan hasil simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 20. Berdasarkan hasil regresi, diperoleh nilai a adalah 0,923 dan nilai b adalah 1,914 dari persamaan y=ax+b, sehingga dapat diketahui bahwa model pindah panas tersebut valid dan dapat digunakan untuk memprediksi suhu udara di dalam rumah tanaman. Hal ini dapat dibuktikan dengan nilai dari a adalahmendekati 1 dan nilai dari b adalah mendekati 0. Nilai regresi R2 adalah 0,940 dimana nilai ini mendekati 1 yang menunjukkan keragaman data.

4.6.

Modifikasi Kemiringan Atap Rumah Tanaman

Tujuan modifikasi ini adalah untuk mendapatkan desain rumah tanaman dengan suhu udara yang lebih baik bagi pertumbuhan tanaman. Modifikasi desain rumah tanaman dilakukan dengan mengubah kemiringan atap tanpa mengubah luas bukaan ventilasi rumah tanaman pada dinding samping. Perubahan kemiringan atap ini diikuti dengan perubahan terhadap luas bukaan ventilasi atap, ketinggian bubungan dan ketinggian rumah tanaman. Perubahan kemiringan atap jugaakan berpengaruh pada pergerakan udara di dalam rumah tanaman.

Menurut Suhardiyanto (2009), bentuk atap standard peak dengan kemiringan sudut atap 25o - 35o tergolong optimal dalam mentransmisikan radiasi matahari. Kemiringan atap yang disarankan adalah berkisar 27o - 30o. Penentuan sudut kemiringan atap yang optimal perlu mempertimbangkan radiasi matahari dan kecepatan angin di luar rumah tanaman (Sumarni 2007 diacu Suhardiyanto 2009).

Data input dan pengaturan yang dimasukkan dalam simulasi rumah tanaman modifikasi sama dengan yang digunakan pada simulasi rumah tanaman awal. Hal ini berarti keadaan simulasi rumah

y = 0,923x + 1,914 R² = 0,940

y = x

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

H a sil Sim ul a si ( oC)

27 tanaman modifikasi sama dengan keadaan rumah tanaman awal, yaitu saat pukul 00:00, 07:00, 12:00, dan 17:00 pada tanggal 16 Juli 2010.

Aliran udara di dalam rumah tanaman sangat dipengaruhi oleh rancangannya. Perubahan kemiringan atap akan menentukan besarnya udara yang masuk melalui bukaan dinding. Kecepatan udara yang masuk melalui bukaan ventilasi dinding dan atap memiliki kecepatan yang sangat kecil yang disebabkan oleh ukuran screen yang kecil sehingga vektor kecepatan angin di dalam rumah tanaman tidak dapat didefinisikan. Pola aliran dan distribusi suhu udara yang telah dimodifikasi dapat dilihat pada Gambar 21 dan Gambar 22.

Hasil modifikasi kemiringan atap rumah tanaman tanpa adanya kecepatan angin menunjukkan bahwa udara akan terjebak di bagian atap yang akan menyebabkan suhu disekitar atap meningkat. Semakin curam kemiringan atap rumah tanaman, maka udara yang terjebak di sekitar atap juga semakin meningkat yang diperlihatkan pada Gambar 21a, 21b dan Gambar 22a, 22b. Hal ini juga akan berpengaruh pada pergerakan udara dalam rumah tanaman.

Pengaruh besarnya kemiringan atap dengan adanya kecepatan angin juga dapat dilihat pada Gambar 21c, 21d dan Gambar 22c, 22d. Udara yang masuk dari arah depan mengakibatkan terjadinya olakan di bagian tengah rumah tanaman karena udara bergerak dari sekitar lantai menuju ke bagian atas dan bertabrakan dengan udara yang berasal dari depan rumah tanaman (Gambar 21c dan Gambar 22c). Modifikasi kemiringan atap dengan angin yang berasal dari dua arah menampilkan aliran udara yang baik (Gambar 21d dan Gambar 22d).

Distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman sangat dipengaruhi oleh aliran udara. Kecepatan angin yang rendah di dalam rumah tanaman pada malam dan pagi hari menyebabkan suhu udara meningkat. Terjadinya olakan udara di dalam rumah tanaman pada sore hari menyebabkan udara terdistribusi merata. Suhu udara cenderung lebih tinggi bila semakin dekat dengan lantai. Udara yang masuk melaui bukaan dinding membawa udara dingin dan dari bukaan atap udara panas keluar dari rumah tanaman.

Pada Gambar 21 dan Gambar 22 dapat dilihat distribusi suhu udara pada rumah tanaman yang telah dimodifikasi kemiringan atapnya. Perubahan kemiringan atap menyebabkan perubahan ketinggian pada bubungan rumah tanaman. Modifikasi kemiringan atap menghasilkan distribusi suhu udara yang hampir sama. Semakin curam kemiringan atap, penyebaran suhu udara yang lebih panas semakin merata di dalam rumah tanaman.

Tingginya suhu udara di dalam rumah tanaman tergantung pada kecepatan udara yang memasuki rumah tanaman cukup rendah dan bahan atap yang cenderung menyimpan panas. Apabila kecepatan angin yang bergerak di dalam bubungan rumah tanaman kecil, maka suhu udara yang lebih tinggi di bagian atap tidak dapat keluar melalui bukaan ventilasi atap. Suhu udara yang keluar melalui bukaan atap disebabkan oleh kerapatan udara yang rendah di sekitar ventilasi atap rumah tanaman. Perbedaan aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman yang ditunjukkan pada Gambar 21 dan Gambar 22 ditentukan oleh ada atau tidaknya kecepatan angin di sekitar rumah tanaman.

Hasil simulasi rumah tanaman awal dapat dikatakan baik sehingga input yang digunakan dipakai untuk melakukan simulasi rumah tanaman dengan memodifikasi kemiringan atap. Perubahan kemiringan atap tersebut dibuat dalam bentuk geometri pada software SolidWorks 2009. Perbandingan hasil simulasi distribusi suhu udara pada rumah tanaman awal (kemiringan atap 15o) dan rumah tanaman dengan modifikasi kemiringan atap menjadi 30o dan 45o menunjukkan bahwa rumah tanaman dengan suhu udara yang optimal dan distribusi aliran udara yang hampir seragam adalah rumah tanaman dengan kemiringan atap 30o.

28 (a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 21. Distribusi suhu udara dan vektor kecepatan aliran udara pada posisi z = 0 (kiri) dan x = 0 (kanan) dengan modifikasi atap 30o, (a) pukul 00:00, (b) pukul 07:00, (c) pukul 12:00, dan (d) pukul 17:00.

29 (a)

(b)

(c)

`

(d)

Gambar 22. Distribusi suhu udara dan vektor kecepatan aliran udara pada posisi z = 0 (kiri) dan x = 0 (kanan) dengan modifikasi atap 45o, (a) pukul 00:00,(b) pukul 07:00, (c) pukul 12:00, dan (d) pukul 17:00.

31

V.

SIMPULAN DAN SARAN

5.1.

Simpulan

1) Pola aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman awal menunjukkan pola yang berbeda-beda sesuai dengan waktu simulasi. Suhu udara yang lebih tinggi berada di sekitar atap. Dalam hal ini terjadi efek buoyansi yang menyebabkan suhu udara yang lebih rendah dengan kerapatan udara tinggi mengalir ke suhu udara yang lebih tinggi dengan kerapatan udara rendah. Olakan aliran udara di dalam rumah tanaman menyebabkan distribusi suhu udara menyebar hampir merata di seluruh bagian rumah tanaman.

2) Validasi hasil simulasi dapat dikatakan valid terhadap hasil pengukuran yang dilakukan di lapangan. Nilai error tertinggi terdapat pada titik 7 dan titik 10. Perolehan error yang tinggi tesebut dipengaruhi oleh dalam keadaan nyata di dalam rumah tanaman terjadi proses pengkabutan pada siang hari. Dari perhitungan nilai error diperoleh rataan untuk pukul 00:00 sebesar 1,44%, pukul 07:00 sebesar 1,83%, pukul 12:00 sebesar 2,34% dan pukul 17:00 sebesar 1,49%. Hal ini juga ditunjukkan oleh hasil dari persamaan linier y=ax+b, dimana nilai a adalah 0,923 yang mendekati 1 dan nilai b adalah 1,914 yang mendekati 0 sesuai dengan persamaan y=x.

3) Modifikasi kemiringan atap mengubah ketinggian bubungan yang akan mempengaruhi pola aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman tanpa berpengaruh besar terhadap suhu di dalam rumah tanaman. Modifikasi kemiringan atap rumah tanaman dengan besar 30o memiliki pola aliran dan distribusi suhu udara yang optimal. Hal ini sesuai dengan yang dinyatakan oleh oleh Suhardiyanto (2009) bahwa bentuk atap standard peak dengan kemiringan sudut atap 25o - 35o tergolong optimal dalam mentransmisikan radiasi matahari.

4) Pola aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi menggunakan CFD ditentukan oleh besarnya kemiringan atap, besarnya suhu atap dan suhu lantai serta suhu udara lingkungan sebagai boundary condition.

5.2.

Saran

1) Kemiringan atap rumah tanaman yang belum dimodifikasi sudah baik sehingga tidak dibutuhkan modifikasi atap.

2) Pengkalibrasian pada alat-alat pengukuran agar diperoleh hasil yang sesuai dengan kondisi sebenarnya.

3) Simulasi aliran dan distribusi suhu udara menggunakan CFD lebih baik jika dikondisikan dengan keadaan sebenarnya di lapangan, seperti adanya bedengan hidroponik yang ada di dalam rumah tanaman.

34 Lampiran 2. Data Suhu Udara Lingkungan, RH, Tekanan Udara, Arah dan KecepatanAngin

Pukul

Suhu Udara Lingkungan

(oC)

RH (%)

Tekanan Udara (mBar)

Kecepatan Angin

(m/s)

Arah Angin

0:00:00 24,3 95 766,1 0 ---

1:00:00 _23,9 95 765,6 0 ---

2:00:00 _23,7 95 764,9 0 ---

3:00:00 23,3 96 764,7 0 ---

4:00:00 _23,2 96 764,8 0 ---

5:00:00 ₂₃ 96 764,9 0 ---

6:00:00 _23,1 96 765,7 0 ---

7:00:00 23,2 96 766,1 0 ---

8:00:00 23,6 94 766,3 0 ---

9:00:00 _25,2 94 767,0 0 ---

10:00:00 _26,6 92 766,7 0 ---

11:00:00 27,4 85 766,4 0 WSW

12:00:00 _29,7 76 766,2 0,4 NNW

13:00:00 _29,2 69 765,5 1,8 NNE

14:00:00 _29,4 69 764,7 0,9 NE

15:00:00 28,5 77 765,0 0,9 NNE

16:00:00 _28,6 80 765,0 1,3 ---

17:00:00 _27,8 81 765,1 0,9 NE

18:00:00 26,7 86 765,3 0 ---

19:00:00 25,6 91 766,0 0 ---

20:00:00 ₂₅ 94 766,4 0 ---

21:00:00 _24,8 95 767,2 0 ---

22:00:00 _24,6 95 767,3 0 ---

23:00:00 24,4 95 767,1 0 ---

Keterangan Arah Angin :

35

1 24,88 25,04 0,64% 22,98 23,46 2,08% 28,81 29,87 3,54% 26,78 27,47 2,52%

2 24,76 25,03 1,07% 22,98 23,46 2,08% 29,16 29,87 2,37% 27,14 27,51 1,34%

3 25,00 25,04 0,16% 23,21 23,46 1,07% 30,35 29,87 1,62% 27,14 27,52 1,39%

4 24,76 25,04 1,11% 23,33 23,47 0,59% 30,35 29,87 1,62% 27,50 27,54 0,13%

5 25,00 25,16 0,64% 23,21 23,58 1,54% 30,00 29,89 0,38% 27,02 27,53 1,87%

6 25,47 25,16 1,25% 23,45 23,49 0,16% 30,00 29,85 0,51% 27,38 27,47 0,34%

7 26,07 25,18 3,53% 24,64 23,56 4,57% 31,90 29,90 6,68% 28,45 27,54 3,30%

8 25,24 25,16 0,31% 23,33 23,51 0,75% 29,52 29,87 1,18% 27,26 27,50 0,87%

9 24,88 25,15 1,07% 23,33 23,59 1,08% 30,71 29,90 2,71% 27,38 27,55 0,61%

10 26,31 25,15 4,60% 24,52 23,50 4,37% 30,71 29,88 2,76% 28,21 27,52 2,50%

Lampiran 4. Gambar Rumah Tanaman Tampak Piktorial

B

C

D

1 2

A

3 2

1 4

B A

5 6

DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

TITLE:

DWG NO.

SCALE 1: 100 satuan : cm

A4

C

WEIGHT:

30

0

50

80

175

20

1

614

624

Lampiran 5. Dimensi Rumah Tanaman Tampak Depan

B

C

D

1 2

A

B A

DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

TITLE:

DWG NO.

SCALE 1 : 50 SATUAN : cm

A4

C

WEIGHT:

1210

1220

51

4

Lampiran 6. Dimensi Rumah Tanaman Tampak Samping

B

C

D

1 2

A

3 2

1 4

B A

5 6

DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

TITLE:

DWG NO.

SCALE 1 : 75 SATUAN : cm

A4

C

WEIGHT:

85

20

1

16

4

750

15

,2

6°

15,

26°

Lampiran 7. Dimensi Rumah Tanaman Tampak Belakang

B

C

D

1 2

A

B A

DRAWN CHK'D APPV'D MFG Q.A

NAME SIGNATURE DATE

MATERIAL:

TITLE:

DWG NO.

SCALE 1 : 50 SATUAN : cm

A4

C

WEIGHT: