30 panas ke lingkungan. Bagian sisi chamber yang tidak melepaskan panas adalah sisi depan koordinat
positif z atau arah Barat dan sisi kanan koordinat positif x atau arah Selatan. Sisi chamber tersebut memiliki suhu lingkungan yang tinggi dibandingkan dengan suhu pada material sisi tersebut. Pada sisi
depan terdapat pengaruh dari udara panas dari keluaran chiller, sedangkan sisi kanan berada dekat dengan bak penampung larutan nutrisi dan inlet pipa larutan nutrisi sehingga material sisi kanan
chamber menjadi lebih dingin. Berikut tabel penyerapan dan pelepasan panas setiap sisi chamber dan pipa sistem aeroponik pada tanggal 1 Mei 2012.
Tabel 5. Proses perpindahan energi panas pada bagian chamber dan pipa Bagian
Energi Panas kJ Penyerapan panas
Pelepasan panas Sisi chamber depan
227.2172 0.0000
Sisi chamber belakang 139.4415
-0.3337 Sisi chamber kanan
105.6003 0.0000
Sisi chamber kiri 124.1198
-0.1905 Sisi chamber atas
115.2098 -2.6100
Sisi chamber bawah 16.7576
-187.0199 Pipa di dalam chamber
0.0087 -0.0000047
D. SEBARAN SUHU CHAMBER
Analisis sebaran suhu pada chamber aeroponik menggunakan metode computational fluid dynamics CFD merupakan langkah yang efektif karena metode ini menghasilkan analisis berupa
gradasi warna serta hasil kuantitatif berupa angka-angka. Untuk memperoleh hasil yang baik, diperlukan pendefinisian yang tepat dalam penentuan input dan output model simulasi. Data input
merupakan data dari lapangan atau data yang diperoleh dengan mengolah data lapangan. Berikut tabel contoh data input yang digunakan dalam simulasi menggunakan CFD.
Tabel 6. Data input simulasi CFD Input
Waktu 8:00
13:00 Suhu udara di dalam Rumah Tanaman
o
C 24.1
34.4 Suhu larutan nutrisi
o
C 21.9
30.2 Suhu permukaan chamber
o
C 27.5
37.0 Radiasi matahari di dalam Rumah Tanaman Wm
2
91 796
Arah radiasi matahari z = -1
y = 1 Koefisien perpindahan panas Wm
2
.
o
C 5.67
5.55 Tebal dinding m
multiplek = 0.01 , styrofoam = 0.02
31 a
b
c Gambar 28. Model simulasi chamber aeroponik dengan panjang a 5 m, b 8 m, dan c 12 m
Model chamber aeroponik yang digunakan dalam simulasi CFD terdiri dari empat dimensi panjang yang berbeda, yaitu pada panjang chamber 1.5 m, 5 m, 8 m, dan 12 m. Model panjang
pertama merupakan panjang chamber yang digunakan selama penelitian. Geometri model dapat dilihat pada Gambar 9 dan Gambar 28. Perbedaan dimensi geometri yang disimulasikan dimaksudkan
untuk melihat sebaran suhu pada setiap chamber dengan input data yang sama. Terdapat dua kondisi waktu yang berbeda saat dilakukannya simulasi, yaitu pukul 08:00 dan pukul 13:00. Hal ini karena
pada pukul 08:00, parameter-parameter yang mempengaruhi lingkungan chamber, yaitu suhu udara dan radiasi matahari rumah tanaman, suhu larutan nutrisi, serta suhu chamber sudah mulai mengalami
kenaikan yang disebabkan oleh peralihan dari kondisi malam hari ke kondisi pagi hari. Pada pukul 13:00 merupakan waktu dimana suhu udara dan radiasi matahari di dalam rumah tanaman mencapai
maksimum. Setelah melakukan pembuatan geometri dan pemasukan data input serta pendefinisian kondisi dan penentuan hasil yang diinginkan, dilakukan proses running untuk menghitung data input
hingga diperoleh kondisi konvergen.
32 a
b Gambar 29. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 08:00 pada dimensi panjang chamber a 1.5 meter dan b 5 meter
27 32
U
5000 mm
U
1500 mm
33 a
b Gambar 30. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 08:00 pada dimensi panjang chamber a 8 meter dan b 12 meter
33
U
12000 mm
U
8000 mm
35 Gambar 29 dan Gambar 30 menunjukkan sebaran suhu pada empat dimensi yang berbeda di
chamber aeroponik. Sebaran suhu terlihat terjadi di sekeliling bagian dalam chamber. Suhu lingkungan rumah tanaman mempengaruhi suhu pelapis chamber. Suhu yang lebih tinggi dari
lingkungan rumah tanaman menyerap ke dalam chamber melalui bahan pelapis, yaitu multiplek dan styrofoam. Kedua bahan tersebut memiliki karakteristik fisik yaitu konduktivitas termal sehingga
hanya sebagian saja panas yang mampu terserap oleh bahan. Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu bahan dalam mentransmisikan panas. Multiplek memiliki konduktivitas termal paling besar
dibandingkan dengan konduktivitas termal styrofoam sehingga daya untuk menyerap panas lebih besar adalah bahan multiplek. Panas lingkungan rumah tanaman yang terserap melalui bahan pelapis
ini akan menyebabkan suhu di dalam chamber menjadi lebih tinggi. Selain itu, suhu larutan nutrisi yang tersemprot keluar dari pipa lateral yang berada di dalam chamber, mempengaruhi sebaran suhu
di dalam chamber. Suhu larutan nutrisi yang keluar dari nozzle akan bercampur dengan panas yang masuk melalui bahan pelapis chamber sehingga menghasilkan suhu yang lebih tinggi. Aliran panas di
dalam chamber akan berputar-putar atau tidak dapat keluar-masuk secara bebas karena chamber aeroponik merupakan ruangan yang tertutup rapat sehingga suhu di dalam chamber cenderung panas
mendekati suhu di dalam rumah tanaman. Tabel 7. Suhu chamber aeroponik hasil simulasi CFD pukul 08:00
Panjang chamber m Suhu rata-rata chamber
o
C 1.5
24.1000 5
24.1000 8
24.0998 12
24.0988 Suhu rata-rata chamber aeroponik yang dihasilkan oleh simulasi CFD dapat dilihat pada Tabel
7. Suhu rata-rata simulasi chamber menunjukkan bahwa setelah kondisi simulasi konvergen, suhu yang dihasilkan pada simulasi mendekati suhu lingkungan dalam rumah tanaman yang diinputkan
sebelumnya. Menurut Haryanto 2010, semakin besar geometri bedeng tanaman, makin sulit menciptakan keseragaman larutan nutrisi yang mengalir di dalamnya. Pada Gambar 29a, yaitu
chamber dengan panjang 1.5 meter, sebaran suhu di dalam chamber terbagi menjadi tiga bagian. Suhu yang lebih tinggi, mendekati 24.1002
o
C ,
berada di paling atas chamber, yaitu di bawah styrofoam penutup. Hal ini karena panas dari lingkungan rumah tanaman masuk ke dalam chamber hanya
melalui satu lapisan, yaitu styrofoam. Faktor lainnya adalah styrofoam tersebut dibungkus dengan plastik mulsa yang berwarna gelap sehingga panas dari radiasi matahari terserap lebih banyak, karena
sifat dari warna gelap yang mudah menyerap panas. Bagian tengah chamber mempunyai suhu sedikit lebih rendah dibandingkan dengan bagian atas. Hal ini dipengaruhi oleh suhu larutan nutrisi yang
tersemprot keluar dari nozzle dan yang mengalir di dalam pipa lateral. Bagian dasar chamber memiliki suhu sekitar 24.0999
o
C karena sisa larutan nutrisi yang tidak terserap oleh akar, mengalir keluar menuju lubang pengeluaran chamber.
Pada Gambar 29b dengan panjang chamber 5 meter, terdapat dua lapisan suhu yang berbeda, yaitu bagian atas dengan suhu lebih tinggi sekitar 24,1003
o
C yang dipengaruhi oleh panas dari luar chamber melalui bahan pelapis,yaitu multiplek dan styrofoam. Bagian dasar chamber dengan suhu
lebih rendah kisaran 24,0998
o
C karena didinginkan oleh larutan nutrisi yang mengalir keluar lubang pengeluaran chamber. Pada dimensi chamber 8 meter, terdapat suhu yang lebih rendah di sekitar inlet
pipa lateral sampai lubang pengeluaran larutan nutrisi di bawah chamber sehingga mendinginkan
34
35 bagian tersebut. Chamber 12 meter, yang dapat dilihat pada Gambar 30b, sebaran suhu yang terjadi
seragam pada suhu 24.1055
o
C, hanya terjadi gradien suhu di sekitar lubang pengeluaran larutan nutrisi pada chamber. Pada mulut lubang pengeluaran, terlihat suhu yang rendah sekitar 24.0551
o
C, kemudian secara perlahan suhu akan mulai naik dan menyebar ke arah atas dan samping di dalam
chamber. Suhu yang lebih rendah ini dipengaruhi oleh suhu larutan nutrisi pada bak penampung yang tepat berada di bawah mulut lubang pengeluaran.
Gambar 31 dan Gambar 32 menunjukkan sebaran suhu yang terjadi pada chamber aeroponik saat radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman sedang berada di nilai tertinggi, yaitu pada
pukul 13:00 WIB kondisi hari cerah. Pada chamber dengan panjang 1.5 meter, faktor utama yang mempengaruhi suhu di dalam chamber adalah panas yang terserap dari radiasi matahari yang masuk
ke dalam rumah tanaman. Panas tersebut terserap dari bahan pelapis di semua sisi chamber yang kemudian membuat dinding sekeliling chamber mempunyai suhu tinggi. Semakin ke tengah chamber,
suhu tersebut perlahan menjadi rendah karena didinginkan oleh suhu larutan nutrisi. Suhu terendah yang tercatat pada chamber dengan panjang 1.5 meter adalah 34.3997
o
C, sedangkan suhu maksimalnya adalah 34.4004
o
C. Chamber dengan panjang 5 meter memiliki suhu tertinggi pada bagian atas chamber. Panas berpindah dari luar chamber menuju ruangan di dalam chamber melalui
bahan styrofoam yang dilapisi plastik mulsa berwarna gelap. Suhu simulasi yang tercatat pada bagian ini sebesar 34.4001
o
C. Suhu tinggi ini akan bergerak ke dasar chamber, kemudian bercampur dengan aliran larutan nutrisi sehingga suhu menurun secara perlahan. Suhu minimum fluida di dalam chamber
sekitar 34.3999
o
C. Pada Gambar 32a, chamber dengan panjang 8 meter, terdapat dua sumber suhu yang berbeda
yang mempengaruhi suhu di dalam chamber. Suhu dari lingkungan rumah tanaman akibat radiasi matahari masuk ke dalam chamber melalui styrofoam dan multiplek. Kemudian suhu dari bak
penampung larutan nutrisi yang masuk melalui lubang pengeluaran chamber sehingga suhu chamber yang mulanya tinggi menjadi rendah di sekitar lubang pengeluaran. Chamber dengan panjang 12
meter memiliki persamaan dengan chamber panjang 8 meter yaitu pendinginan di sekitar lubang pengeluaran sisa larutan nutrisi. Namun, pada ujung lainnya, terdapat panas dari luar yang masuk ke
dalam chamber melalui styrofoam bagian atas yang menyebabkan suhu tinggi pada sisi tersebut. Suhu tinggi pada sisi tersebut disebabkan oleh arah radiasi matahari sehingga panas akan mengalir pada
daerah tersebut dan menyebar ke daerah yang memiliki suhu lebih rendah. Suhu rata-rata chamber berbagai dimensi panjang pada pukul 13:00 dapat dilihat pada Tabel 8.
Tabel 8. Suhu chamber aeroponik hasil simulasi CFD pukul 13:00 Panjang chamber m
Suhu rata-rata chamber
o
C 1.5
34.3999 5
34.4000 8
34.3997 12
34.3976
39 a
b Gambar 31. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 13:00 pada dimensi panjang chamber a 1.5 meter dan b 5 meter
36
U
1500 mm
U
5000 mm
39 a
b Gambar 32. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 13:00 pada dimensi panjang chamber a 8 meter dan b 12 meter
37
U
12000 mm
U
8000 mm
38 Haryanto 2010 menyatakan bahwa jika ada sebuah benda yang memiliki dimensi yang besar
maka pindah panas yang terjadi juga semakin besar karena dimensi yang menjadi daerah kontak dengan lingkungan yang panasdingin juga semakin besar. Pada empat dimensi panjang dan dua
kondisi chamber yang disimulasikan, terdapat perbedaan suhu fluida yang dihasilkan dari setiap chamber aeroponik tersebut. Perubahan suhu udara chamber pada pukul 08:00 dan 13:00 hanya
mencapai 0.08
o
C pada masing-masing waktu simulasi. Hal tersebut tidak mempengaruhi pertumbuhan fisik tanaman. Perubahan suhu dalam satu hari pengukuran pun tidak ada perbedaan pada fisik
tanaman. Namun, jika perubahan suhu dalam satu hari tersebut berlangsung berhari-hari atau sampai massa panen, tanaman tersebut akan layu dan pertumbuhannya pun akan lambat sehingga hasil produk
tanaman tersebut tidak sesuai dibandingkan dengan kondisi pada suhu optimalnya. Suhu rata-rata terendah dari dua kondisi dan dibandingkan dengan tiga dimensi panjang
lainnya tersebut mengarah pada chamber dengan panjang 12 meter. Namun, suhu terendah ini tidak diikuti dengan sebaran suhu yang merata di sekeliling chamber. Terdapat suhu tinggi di satu sisi dan
di sisi lainnya mempunyai suhu rendah. Untuk sebaran suhu yang mendekati baik mengarah pada chamber dengan panjang 1.5-5 meter. Hal ini dapat dilihat dari sebaran suhu yang dihasilkan
sepanjang chamber merata dan perpindahan panas dari luar chamber sampai ke dasar chamber yang menyebabkan perubahan suhu fluida di dalam chamber aeroponik. Penggunaan chamber yang tertutup
rapat diharapkan tidak menjadi beban karena membuat suhu di sekitar akar menjadi ekstrem saat lingkungan cerah atau kondisi hari bersuhu tinggi. Pada pagi hari, suhu di dalam chamber mencapai
24.1
o
C sehingga suhu ini masih dalam batas toleransi bagi pertumbuhan tanaman. Namun pada siang hari, suhu di dalam chamber lebih dari 34
o
C sehingga perlu adanya pendinginan atau rekayasa lingkungan mikro di sekitar tanaman agar dapat tumbuh dan berkembang secara baik.
E. VALIDASI HASIL SIMULASI SUHU CHAMBER AEROPONIK
