Penggambaran Geometri Analisis Aliran Udara dalam Bangunan Hasil Simulasi CFD

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 Wm 2 pada pagi hari dan akan mencapai puncak maksimum pada siang hari. Intensitas cahaya kemudian menurun secara bertahap pada sore hari hingga kembali 0 Wm 2 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 concrete 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 mm 2 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 o C 24,38 23,24 29,72 27,81 Suhu atap o C 28,69 27.97 32,73 30,71 Suhu lantai o C 28,10 25,90 31,70 30,00 Kecepatan angin ms - - 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 mm 2 Tabel 5. Sifat-sifat bahan atap dan lantai rumah tanaman sebagai input CFD Sifat Bahan Satuan Atap polikarbonat Lantai semen Kerapatan ρ kgm 3 1220 2300 Konduktivitas panas K Wm.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 ms sedangkan tipe aliran eksternal digunakan untuk analisis simulasi yang memiliki kecepatan angin lebih dari 0 ms 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 type boundary 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. Gambar 12. Boundary condition dalam simulasi CFD pada pukul 17:00 16 Juli 2010 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 ms -0,37 0,37 Arah X Z Gambar 13. Rumah tanaman tampak atas beserta arah mata angin Gambar 14. Vektor angin. V timur = V utara = V timur laut cos 45 o = 0,4 x 0,707 = 0,37 ms 0.37 ms Selatan Utara Timur Barat Timur Laut 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 o C dan suhu udara terendah sebesar 24,3 o C. 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 o C dan suhu udara lingkungan 24,3 o C. 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 ms. 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 o C berada di sekitar atap dan suhu udara terendah adalah suhu udara lingkungan sebesar 23,2 o C. 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 ms. 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 o C dan 23,2 o C. 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. Gambar 17. Distribusi suhu udara atas dan vektor kecepatan aliran udara bawah pukul 12:00. 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 ms dari arah Utara rumah tanaman atau sumbu z dan besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 32,73 o C dan 29,7 o C. 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 ms dari arah Timur Laut rumah tanaman atau 0,37 ms dari arah Utara sumbu z dan 0,37 ms 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 30,71 o C dan 27,4 o C. 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 danatau 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.