. Penentuan Jarak Optimum Antar Pipa Pendingin Untuk Pendinginan Terbatas Daerah Perakaran Pada Sistem Hidroponik Substrat

PENENTUAN JARAK OPTIMUM ANTAR PIPA PENDINGIN
UNTUK PENDINGINAN TERBATAS DAERAH PERAKARAN
PADA SISTEM HIDROPONIK SUBSTRAT

AMELIA HERNISA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penentuan Jarak
Optimum antar Pipa Pendingin untuk Pendinginan Terbatas Daerah Perakaran pada
Sistem Hidroponik Substrat adalah benar karya saya dengan arahan dari
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2015
Amelia Hernisa
NIM F14110054

ABSTRAK
AMELIA HERNISA. Penentuan Jarak Optimum antar Pipa Pendingin untuk
Pendinginan Terbatas Daerah Perakaran pada Sistem Hidroponik Substrat.
Dibimbing oleh HERRY SUHARDIYANTO.
Di Indonesia, penggunaan rumah tanaman ditujukan untuk melindungi
tanaman dari hujan, serangga dan angin. Suhu udara di dalam rumah tanaman
cenderung terlalu tinggi bagi pertumbuhan tanaman. Metode pendinginan terbatas
daerah perakaran dengan pendinginan melalui air yang dialirkan dalam pipa
pendingin telah dikembangkan untuk hidroponik substrat. Tujuan penelitian ini
adalah menentukan jarak antar pipa pendingin berdasarkan distribusi suhu media
tanam dengan menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Hasil
validasi dengan simulasi jarak pipa 14 cm menunjukan bahwa suhu hasil simulasi
dan suhu pengukuran memiliki keakuratan lebih dari 90% dengan nilai
keseragaman horizontal suhu media tanam 82.9 % dan nilai keseragaman vertikal

95.53 % Oleh karena itu, simulasi CFD ini digunakan untuk simulasi distribusi suhu
di dalam media tanam untuk menentukan jarak antar pipa pendingin untuk
pendinginan terbatas daerah perakaran pada sistem hidroponik substrat. Hasil
simulasi menunjukkan bahwa jarak pipa pendingin 12 cm memiliki keseragaman
horizontal suhu media tanam 91.10% dan keseragam vertikal 98.07%.
Kata kunci: rumah tanaman, hidroponik substrat, simulasi, zone cooling.

ABSTRACT
AMELIA HERNISA. Determination of Optimum Distance among Cooling Pipes
for Root Zone Cooling in a Substrate Hydroponic Systems. Supervised by HERRY
SUHARDIYANTO.
In Indonesia, greenhouses are contructed to protect plant from rain, insect and
wind. Air temperature inside the greenhouse tends to be too high for plant growth.
A root zone cooling with cold water flowed inside the cooling pipe has been
developed for substrate hydroponics. This research aims to determine the distance
between cooling pipes based on temperature distribution in the growth media by
using Computational Fluid Dynamics(CFD) simulation. Validation result with
distance of cooling pipes 14 cm showed that more than 90% of simulated
temperatures fit to that of the measured temperatues with horizontal uniformity of
growth media temperature 82.9% and vertical uniformity 95.53%. Therefore, CFD

simulation has been used to simulate temperature distribution in the growth media,
in order to determine the distance among cooling pipes for root zone cooling in a
substrate hydroponic systems. Simulation results showed that a distance of cooling
pipes 12 cm perfomed horizontal uniformity of temperature of growth media
91.10% and vertical uniformity 98.07%.
Keywords: greenhouse, substrate hydroponics, simulation, zone cooling.

PENENTUAN JARAK OPTIMUM ANTAR PIPA PENDINGIN
UNTUK PENDINGINAN TERBATAS DAERAH PERAKARAN
PADA SISTEM HIDROPONIK SUBSTRAT

AMELIA HERNISA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga karya ilmiah ini berhasil
diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan
Maret 2015 ini adalah pendinginan daerah perakaran, dengan judul Penentuan
Jarak Optimum antar Pipa Pendingin untuk Pendinginan Terbatas Daerah
Perakaran pada Sistem Hidroponik Substrat.
Dengan telah selesainya karya ilmiah ini, penulis ingin menyampaikan
ucapan terima kasih kepada :
1. Kedua orang tua tercinta Papa Herman Budi Santoso dan Mama Nini
Yusnidar serta kakak Dini Meidiani dan adik Nabila Khairina atas do’a,
dukungan dan kasih sayangnya.
2. Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, M Sc selaku pembimbing yang telah
memberikan arahan, saran, dan bimbingan selama penyusunan skripsi.
3. Dr Ir Gatot Pramuhadi, M Si dan Ir Sri Endah Agustina MS selaku penguji
yang telah memberikan saran dan koreksi bagi penulis.

4. Bapak Agus Ghautsun Ni’am, STP, M Si yang telah memberikan arahan,
bimbingan, dan dukungan selama penyusunan skripsi.
5. Seluruh staff pengajar Teknik Mesin dan Biosistem Institut Pertanian Bogor
atas semua pengetahuan yang telah diberikan.
6. Bapak Ahmad dari Laboratorium Lingkungan dan Bangunan Pertanian dan
Bapak Darma dari Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang telah banyak membantu
selama penelitian.
7. Holil yang selalu memberikan bantuan, semangat, do’a dan dukungan.
8. Teman-teman satu bimbingan Lois Marihot, Jefri dan Chandra Hadi Mulia
yang telah banyak membantu dan memberikan dukungan.
9. Teman-teman “Regenboog” di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
angkatan 48, terima kasih atas kebersamaannya, bantuan, semangat dan
dukungannya untuk penulis.
10. Seluruh pihak yang pernah memberikan dukungan dan bantuan kepada
penulis.
Penulis berharap semoga karya ilmiah ini bermanfaat dan memberikan
kontribusi nyata terhadap ilmu pengetahuan.
Bogor, Desember 2015
Amelia Hernisa

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vi

PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Tujuan Penelitian

2

Ruang Lingkup Penelitian

2

TINJAUAN PUSTAKA

2

Hidroponik Substrat

2

Rumah Tanaman

3

Tanaman Bawang Merah

3

Arang Sekam

4

Serbuk Sabut Kelapa (Cocopeat)

4

Pendinginan Terbatas (Zone cooling)

5

Zona Perakaran

5

Pindah Panas

6

Dasar – dasar Simulasi

6

Computational Fluid Dynamics (CFD)

7

METODE
HASIL DAN PEMBAHASAN

8
13

Iklim Mikro di dalam Rumah Tanaman

13

Simulasi CFD

17

Hasil Simulasi Distribusi Suhu Media Tanam

23

Validasi Hasil Simulasi Suhu Media Tanam

24

Variasi Jarak antar Pipa Pendingin

25

SIMPULAN DAN SARAN

28

Simpulan

28

Saran

28

DAFTAR PUSTAKA

29

LAMPIRAN

28

DAFTAR TABEL
1 Input kondisi awal simulasi sistem termal
2 Sifat bahan acrylic, arang sekam-cocopeat, dan galvanized steel

18
21

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

22

Arang sekam
Serbuk sabut kelapa (cocopeat)
Skema pendinginan terbatas daerah perakaran
Pipa pendingin yang dibenamkan di dalam media tanam
Titik penempatan thermocouple
Diagram alir penelitian
Grafik perubahan radiasi matahari dan suhu udara rumah tanaman
tanggal 18 September 2015
Grafik perubahan suhu udara dan kelembaban relatif di dalam rumah
tanaman tanggal 18 September 2015
Grafik perubahan suhu media tanam dan suhu dinding pipa tanggal 18
September 2015
Grafik laju penurunan suhu air
Geometri sistem termal dari media tanam dengan wadahnya
Pengaturan tipe analisis
Pengaturan jenis fluida dan tipe aliran yang dianalisis
Pemilihan material solid
Pengaturan kondisi batas awal
Pemilihan kondisi batas (real wall)
Pengaturan mesh
Grid solid di dalam media tanam
Distribusi suhu di dalam media tanam dengan jarak antar pipa
pendingin sebesar 14 cm
Hubungan linier dalam plot suhu hasil simulasi dengan hasil
pengukuran
Variasi berbagai jarak pipa pendingin : (a) 10 cm (b) 11 cm (c) 12 cm
(d) 13 cm (e) 15 cm (f) 16 cm (g) 17 cm (h) 18 cm (i) 19 cm
(j) 20 cm
Grafik jarak antar pipa pendingin terhadap koefisien keseragaman (a)
horizontal (b) vertikal

4
4
9
9
9
12
14
15
16
17
17
19
19
20
20
21
22
22
23
25

26
27

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5

Validasi titik suhu simulasi
Gambar teknik geometri bed plant untuk simulasi (dalam satuan mm)
Suhu media tanam selama zone cooling (horizontal)
Suhu media tanam selama zone cooling (vertikal)
Data parameter lingkungan mikro di dalam rumah tanaman

31
32
33
34
35

6 Nilai keseragaman (horizontal)
7 Nilai keseragaman (vertikal)
8 Denah titik pengukuran suhu media tanam (horizontal)
9 Denah titik pengukuran suhu media tanam (vertikal)

36
37
38
39

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Bawang merah merupakan tanaman herba dua musim yang tumbuh sebagai
tanaman semusim. Tanaman ini memiliki sistem perakaran yang dangkal,
berkembang hanya pada kedalaman sekitar 30 cm dari permukaan tanah. Bawang
merah mampu beradaptasi dengan baik di daerah dataran rendah maupun dataran
tinggi sampai dengan ketinggian 1000 mdpl. Tanaman ini tumbuh dengan baik pada
suhu udara 13 sampai 20 oC (Zulkarnain 2013).
Perbanyakan tanaman bawang merah biasanya menggunakan umbi, namun
dapat juga menggunakan biji botani atau true shallot seed (TSS) sebagai sumber
benih. Penggunaan biji botani bawang merah merupakan salah satu alternatif
teknologi yang potensial dikembangkan untuk memperoleh benih bawang merah
yang berkualitas. Penggunaan benih botani dalam produksi bawang merah lebih
menguntungkan daripada penggunaan umbi karena TSS dapat meningkatkan
produktivitas sampai 100% dibandingkan dengan penggunaan umbi (Basuki 2009).
Teknologi produksi TSS masih dalam proses pengembangan, menyebabkan
produksi TSS belum dapat memenuhi kebutuhan akan bahan tanam bawang merah
(Palupi et al 2015).
Budidaya tanaman bawang merah juga dapat dilakukan dengan sistem
hidroponik substrat, yaitu sistem hidroponik dimana akar tanaman tumbuh pada
media porus selain tanah. Larutan nutrisi dialirkan pada media tanam untuk
menjaga kelembaban, sehingga tanaman dapat memperoleh air, nutrisi, dan oksigen.
Media tanam yang umum digunakan pada hidroponik substrat adalah campuran
arang sekam dan cocopeat. Campuran arang sekam dan cocopeat ini memiliki daya
menahan air yang baik sehingga mampu mempertahankan kelembaban perakaran
tanaman bawang merah yang menghendaki suhu rendah.
Hidroponik sangat erat kaitannya dengan rumah tanaman atau greenhouse.
Rumah tanaman merupakan lingkungan tumbuh tanaman yang dirancang agar
tanaman dapat tumbuh secara optimal. Rumah tanaman secara alami memiliki
fenomena greenhouse effect yang disebabkan oleh dua hal, yaitu pergerakan udara
di dalam rumah tanaman yang relatif sangat sedikit atau cenderung stagnan dan
radiasi gelombang panjang yang tidak dapat keluar dari rumah tanaman dan
terperangkap di dalamnya, sehingga menyebabkan suhu udara di dalam rumah
tanaman meningkat (Suhardiyanto 2009). Hal ini dapat mengganggu pertumbuhan
tanaman di dalam rumah tanaman. Metode yang dapat dilakukan untuk
menanggulangi hal tersebut adalah menerapkan pendinginan terbatas atau zone
cooling.
Metode zone cooling ini mengendalikan suhu zona perakaran dengan
menggunakan elemen pendingin. Elemen pendingin yang digunakan berupa air
bersuhu rendah yang didinginkan menggunakan chiller kemudian disirkulasikan
menggunakan pipa yang dibenamkan kedalam media tanam. Penggunaan air
sebagai media pendingin pada sistem ini diharapkan mampu menurunkan suhu zona
perakaran secara lebih efektif dibandingkan mendinginkan larutan nutrisi. Hal ini
karena air yang didinginkan berada dalam pipa yang dibenamkan dalam media
tanam sehingga tidak terpapar radiasi matahari secara langsung.

2
Selama dialirkan di dalam pipa, air mengalami perpindahan panas.
Distribusi suhu daerah perakaran perlu dikaji sebagai dasar penentuan jarak pipa
pendingin sehingga diperoleh keseragaman suhu daerah perakaran yang sesuai
untuk pertumbuhan tanaman. Distribusi suhu daerah perakaran dikaji dengan
menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Simulasi distribusi suhu
menggunakan CFD dilakukan dengan variasi beberapa jarak pipa pendingin agar
diperoleh koefisien keseragaman suhu yang sesuai. Simulasi distribusi suhu
dilakukan untuk menghemat waktu dan biaya. Validasi hasil simulasi dilakukan
dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengukuran untuk mengetahui
keakuratan simulasi. Jarak antar pipa pendingin yang tepat ditentukan berdasarkan
keseragaman suhu daerah perakaran yang sesuai untuk pertumbuhan tanaman.

Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah menentukan jarak pipa pendingin yang
optimum untuk memperoleh distribusi suhu daerah perakaran yang seragam pada
tanaman bawang merah.

Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dalam penelitian ini mencakup:
1)
Indikator penentuan jarak optimum antar pipa pendingin adalah keseragaman
distribusi suhu dan suhu optimum lingkungan pertumbuhan tanaman bawang
merah.
2)
Sifat-sifat air yang mengalir di dalam pipa tidak diperhitungkan karena
dugaan distribusi suhu yang diinginkan adalah di bagian media tanam.

TINJAUAN PUSTAKA
Hidroponik Substrat
Sistem hidroponik substrat merupakan metode budidaya tanaman dimana
akar tanaman tumbuh pada media porus selain tanah yang dialiri larutan nutrisi
sehingga memungkinkan tanaman memperoleh air, nutrisi, dan oksigen secara
cukup. Contoh media tanam yang digunakan dalam sistem hidroponik substrat
adalah arang sekam dan cocopeat. Kelebihan media tanam arang sekam dan
cocopeat adalah kapasitas menahan air yang tinggi sehingga dapat menjaga
kelembaban perakaran tanaman.
Pemberian larutan nutrisi pada sistem hidroponik substrat biasanya dilakukan
dengan irigasi tetes. Irigasi tetes adalah metode pemberian air irigasi dengan cara
membasahi daerah sekitar tanaman atau daerah perakaran, yang bertujuan
memenuhi kebutuhan air tanaman tanpa harus membasahi keseluruhan lahan,
sehingga mereduksi kehilangan air akibat penguapan yang berlebihan dan efisiensi
pemakaian air dapat mendekati 100% (Adirahardja 1992).

3
Sistem irigasi ini cocok untuk lahan perkebunan dengan pohon kecil dan
ditanami dengan jarak yang lebar, lahan yang berlokasi di daerah kering (dataran
rendah), pertanian dengan tanaman yang rentan terhadap kekurangan air dan
bernilai ekonomi tinggi. Panen dapat meningkat karena kelembaban tanah di daerah
perakaran dapat dijaga dengan baik.

Rumah Tanaman
Rumah tanaman di kawasan yang beriklim tropika terutama berfungsi sebagai
bangunan perlindungan tanaman baik pada budidaya dengan media tanah maupun
dengan sistem hidroponik (Suhardiyanto 2009). Budidaya tanaman secara
hidroponik biasanya dilakukan di dalam rumah tanaman karena lingkungan
pertumbuhan tanaman di dalam rumah tanaman lebih mudah dikendalikan sehingga
tanaman yang dibudidayakan secara hidroponik dapat tumbuh lebih baik. Pada
kawasan yang beriklim tropika basah seperti Indonesia, konsep rumah tanaman
dengan umbrella effect dipandang lebih sesuai. Rumah tanaman di Indonesia lebih
ditujukan untuk melindungi tanaman dari angin, hama, dan curah hujan yang
berlebih. Selain itu, rumah tanaman juga dibangun untuk mengurangi intensitas
radiasi matahari yang berlebihan, mengurangi penguapan air dari daun dan media,
serta memudahkan perawatan tanaman (Suhardiyanto 2009).

Tanaman Bawang Merah
Tanaman bawang merah dalam taksonomi tumbuhan termasuk dalam Divisi
Spermatophyta, Subdivisi Angiospermae, Kelas Monocotyledonae, Ordo
Asparagales, Famili Amaryllidaceae (Liliaceae), Genus Allium, dan Spesies Allium
cepa L. Bawang merah merupakan tanaman herba dua musim yang tumbuh sebagai
tanaman semusim (kecuali untuk produksi benih). Tanaman ini memiliki sistem
perakaran yang dangkal, berkembang hanya pada kedalaman sekitar 30 cm dari
permukaan tanah. Bawang merah dapat tumbuh dengan baik di daerah dataran
rendah maupun dataran tinggi sampai dengan ketinggian 1.000 m dpl. Bawang
merah akan tumbuh dengan baik pada suhu udara 13 sampai 20 oC dengan
kelembaban udara 50 sampai 70% (Zulkarnain 2013). Inisiasi pembungaan terjadi
pada suhu rendah 9 sampai 12 oC (Fahrianty 2013). Bawang merah menghendaki
tanah berpasir, lempung atau gambut yang subur dengan drainase yang lancer dan
kandungan bahan organik yang tinggi. Tingkat keasaman (pH) tanah yang
dikehendaki adalah 5.6 sampai 6.5. Kelembaban tanah berperan penting dalam
pertumbuhan akar-akar yang baru. Oleh karena itu, bagian dasar umbi harus selalu
dalam keadaan lembab.

4
Arang Sekam

Gambar 1 Arang sekam
Arang sekam dibuat dari sekam yaitu kulit pelindung beras sebagai
endospermium padi berupa cangkang yang kering, bersisik, tidak dapat dimakan.
Arang sekam mempunyai nilai bulk density sebesar 15.324 kg/ml, nilai porositas
arang sekam sebesar 46 %, nilai konduktivitas arang sekam sebesar 0.0719 W/mK,
nilai panas jenis arang sekam sebesar 7.942 kJ/kg˚C (Ciptaningtyas 2011) dan
memiliki nilai permeabilitas sebesar 32.89 cm/jam (Patappa 2001).
Arang sekam mempunyai peranan penting sebagai media tanam pengganti
tanah. Arang sekam bersifat porous, ringan dan memiliki kemampuan menahan air
cukup baik sehingga dapat menjaga kelembaban media tanam. Arang sekam
memiliki permukaan kasar dan rongga yang banyak sehingga sirkulasi udara tinggi.
Hal ini juga mempermudah pergerakan akar tanaman dalam media tanam tersebut.
Arang sekam telah steril, karena saat pembuatannya sekam telah mendapat panas
yang tinggi dari proses pembakaran sehingga tidak memerlukan desinfeksi. Arang
sekam memiliki daya lapuk yang lambat dan dianggap dapat bertahan hingga satu
tahun sehingga dapat digunakan beberapa kali.

Serbuk Sabut Kelapa (Cocopeat)

Gambar 2 Serbuk sabut kelapa (cocopeat)
Serbuk sabut kelapa (cocopeat) adalah hasil sampingan dari proses
pengambilan serat sabut kelapa. Cocopeat merupakan pengikat antar serat kelapa
di dalam sabut kelapa. Cocopeat mempunyai kandungan lignin dan selulosa yang
tinggi. Bahan-bahan yang terkandung di dalam cocopeat menyebabkan cocopeat
tahan terhadap bakteri dan jamur. Cocopeat memiliki pH antara 5.2 sampai 6.8 dan
sangat sulit untuk diuraikan. Cocopeat mulai terurai dalam jangka waktu 10 tahun

5
pemakaian, sehingga manfaat-manfaat dari cocopeat ini dapat berlangsung lama.
Cocopeat sangat cocok digunakan untuk campuran tanah dalam pot, media
pembenihan, media hidroponik, dan material lapangan golf (HVC 2007). Cresswell
(2009) mengatakan, cocopeat terdiri dari 2% sampai 13% serat pendek yang
panjangnya kurang dari 2 cm. Cocopeat bersifat hydrophilik yaitu kelembabannya
tersebar merata pada permukaan serbuk. Kondisi seperti ini menyebabkan cocopeat
mudah menyerap air meskipun berada di udara kering. Cocopeat memiliki daya
serap air yang cukup tinggi yaitu sekitar 8 sampai 9 kali dari beratnya. Penggunaan
cocopeat sebagai media tanam biasanya dicampur dengan bahan lainnya seperti
arang sekam yang memiliki daya serap air lebih rendah dari cocopeat agar media
tanam yang digunakan tidak terlalu lembab dan menyebabkan kebusukan daerah
perakaran. Dalam cocopeat terkandung berbagai mineral seperti N, P, K, Ca, Cl,
Mg, Na yang baik untuk pembibitan tanaman (DAPCA 2008).

Pendinginan Terbatas (Zone cooling)
Kondisi lingkungan di sekitar tanaman perlu dijaga agar selalu mendekati
keadaan optimum bagi pertumbuhan tanaman, sehingga perlu dilakukan metode
pengendalian lingkungan yang efektif untuk rumah tanaman. Pada rumah tanaman
di kawasan beriklim tropis, metode pengendalian lingkungan belum banyak
dikembangkan karena sulit menurunkan suhu udara di dalam rumah tanaman pada
saat radiasi matahari sangat besar. Pendinginan terbatas atau zone cooling
merupakan salah satu metode yang dikembangkan sebagai alternatif pengendalian
suhu udara di dalam rumah tanaman ketika suhu dan kelembaban udara tinggi
(Suhardiyanto 1994). Penurunan suhu dilakukan secara terbatas dengan
mengalirkan udara dingin ke sekitar tanaman atau mengalirkan larutan nutrisi yang
didinginkan ke daerah perakaran. Pendinginan larutan nutrisi bertujuan untuk
menjaga suhu daerah perakaran tanaman cukup rendah walaupun suhu udara tinggi
pada siang hari. Pendinginan daerah perakaran tanaman dengan cara mendinginkan
larutan nutrisi dapat dilakukan dengan menggunakan unit pendingin atau dengan
cara meletakkan tangki larutan nutrisi di dalam tanah. Pendinginan larutan nutrisi
menggunakan unit pendingin dapat dilakukan dengan cara mengalirkan larutan
nutrisi melalui evaporator unit pendingin, menggunakan bak pendingin
konvensional, maupun dengan memasukkan evaporator unit pendingin ke dalam
bak larutan nutrisi (Suhardiyanto 2009).

Zona Perakaran
Zona perakaran merupakan bagian penting tanaman yang mempengaruhi
proses pertumbuhan dan kehidupan tanaman. Akar termasuk organ vegetatif dari
tanaman, selain batang dan daun. Akar adalah bagian tubuh tanaman yang berada
dalam tanah. Bentuk akar sebagian besar meruncing. Terkadang, akar memiliki
ujung yang berwarna cerah. Akar berfungsi sebagai penopang dan penguat
berdirinya tanaman. Untuk memperoleh zat dari luar tubuh, akar tanaman berperan
dalam proses penyerapan air dan garam mineral dari dalam tanah. Akar berfungsi
sebagai tempat penyimpanan cadangan makanan.

6
Pindah Panas
Perpindahan panas didefinisikan sebagai perpindahan energi dari suatu
daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda temperatur dari daerah-daerah
tersebut (Kreith 1994). Pindah panas dapat terjadi secara radiasi, konveksi, dan
konduksi.
Radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas yang melewati suatu tempat dalam bentuk
energi radiasi panas (Mastalerz 1977). Laju aliran panas suatu benda dengan cara
radiasi dihitung berdasarkan hukum Stefan-Boltzmann:
Qrad = σ.ε.A.T4

(1)

dimana Qrad adalah laju pindah panas secara radiasi (W/m2), ε adalah emisivitas
permukaan, dan σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann (5.67 x 10 -8 W/m2 K4), A
adalah luas permukaan pindah panas (m2), dan T adalah suhu (K).
Konveksi
Konveksi adalah proses perpindahan panas karena kontak antara suatu
permukaan dengan fluida mengalir. Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan
dengan persamaan yang dibentuk dari Hukum Newton:
Qconv = h.A.(Ts – Tf)

(2)

dimana Qconv adalah laju pindah panas secara konveksi (W/m2), h adalah koefisien
pindah panas konveksi (W/m2oC), Ts adalah suhu permukaan bidang (oC), dan Tf
adalah suhu pada jarak tertentu dari permukaan bidang (oC).
Konduksi
Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas, atau cairan, atau
diantara objek yang sama dan bersentuhan langsung. Perpindahan panas konduksi
mengalir dari suhu yang lebih tinggi (Holman 1997). Besarnya laju aliran panas
dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan hukum
Fourier:
Qcond =-k.A

dT
dx

(3)

dimana Qcond adalah laju perpindahan panas secara konduksi (W/m2), k adalah
konduktivitas termal (W/m2), A adalah luas penampang suatu bidang (m2), dan ΔT
adalah perubahan suhu di antara dua permukaan (oC).
Dasar – dasar Simulasi
Menurut Syamsa (2003), simulasi komputer adalah usaha mengeksplorasi
model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan
menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata dengan

7
sebagian besar rinciannya. Simulasi proses adalah penggunaan model matematika
untuk menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari sistem dengan mengukur
tanggap dinamik variabel-variabel proses yang dipantau, misalnya suhu, tekanan,
dan komposisi bahan. Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan
menjadi dua kategori berdasarkan kondisinya, yaitu simulasi pada keadaan tunak
dan simulasi dalam keadaan dinamis (Syamsa 2003). Simulasi keadaan tunak
biasanya terdiri dari sejumlah persamaan aljabar yang diselesaikan secara iterasi,
misalnya untuk menghitung panas dan keseimbangan dari suatu proses di bawah
kondisi keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum
digunakan dalam proses industri seperti pengukuran boiler dan peralatan turbin
untuk laju panas tertentu.

Computational Fluid Dynamics (CFD)
CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida,
perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan
persamaan-persamaan matematika. CFD mampu memprediksi aliran berdasarkan
model matematika, metode numerik dan tools perangkat lunak (solver, preprocessing, dan postprocessing) (Tuakia 2008).
Menurut Nelwan et al. (2008) CFD adalah suatu analisis sistem yang meliputi
aliran fluida, pindah panas, dan fenomena lainnya seperti reaksi kimia yang
menggunakan simulasi berbasis komputer.
CFD meliputi tiga tahapan proses yaitu pre-processor, solver dan
postprocessor. Hasil dari analisis berupa visualisasi warna yang meliputi hasil dari
geometri dan grid yang telah dibentuk, plot berdasarkan vector, plot berdasarkan
kontur, dan plot berdasarkan permukaan baik dua dimensi maupun tiga dimensi.
Solver merupakan salah satu bentuk pemecahan model persamaan dasar
aliran fluida yang meliputi persamaan konversi massa atau kontinuitas, momentum,
dan energi yang dilakukan menggunakan analisa numerik. Persamaan dasar aliran
fluida yang berupa persamaan diferensiasi parsial ditransformasikan ke dalam
persamaan aljabar sederhana yang disebut dengan diskritisasi. Diskritisasi adalah
proses transformasi persamaan diferensial parsial menjadi persamaan matematik
yang lebih sederhana. Persamaan diskrit yang dihasilkan dari proses integrasi
persamaan diferensial parsial pada volume kontrol berbentuk persamaan implisit,
untuk menyelesaikan persamaan implisit yang terdiri dari persamaan individual
diperlukan iterasi. Iterasi adalah membuat sebuah tebakan terhadap nilai variabelvariabel yang terdapat pada persamaan implisit. Proses iterasi terus menerus
dilakukan sampai selisih antara ruas kiri dan ruas kanan persamaan (residual error)
mencapai nilai tertentu yang mendekati nol atau dapat dinyatakan konvergen.
Postprocessor adalah tahap akhir pada CFD. Pada tahap solver, apabila
keadaan konvergen terjadi maka properti fluida dan aliran dapat ditampilkan.
Properti fluida dan aliran ditampilkan sebagai model pindah panas yang dihasilkan
oleh distribusi suhu, vector, dan distribusi kecepatan berupa bentuk tampilan
geometri domain dan grid, plot vector, tracking partikel, manipulasi pandangan,
dan output berwarna (Warto 2014).

8

METODE
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Lingkungan dan Bangunan
Pertanian dan di dalam rumah tanaman yang berada di Laboratorium Lapangan
Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi
Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Leuwikopo, Dramaga, Bogor. Lokasi penelitian
ini terletak pada ketinggian 250 m di atas permukaan laut dan berada pada 106.42
BT dan 6.33 LS. Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Maret 2015 sampai dengan
September 2015.

Alat dan Bahan

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah
Media tanam
Media tanam yang digunakan adalah campuran arang sekam dan cocopeat
dengan perbandingan keduanya adalah 4:1.
Tangki air
Tangki air digunakan untuk menampung air pendingin yang disirkulasikan
menuju chiller.
Chiller
Unit pendingin atau chiller digunakan untuk mendinginkan air pada tangki
sebelum disirkulasikan menuju pipa pendingin ke dalam wadah media tanam.
Pipa pendingin
Pipa pendingin yang digunakan adalah pipa galvanis dengan diameter 1 inch
digunakan untuk mengalirkan air yang didinginkan dari chiller dan menyerap
panas di media tanam.
Wadah media tanam
Wadah media tanam digunakan sebagai tempat pipa pendingin dibenamkan dan
dindingnya terbuat dari acrylic dengan ketebalan 5 mm.
Hybrid recorder
Merk Yokogawa tipe MV 2000 digunakan untuk mencatat suhu pada titik-titik
pengukuran dengan sensor thermocouple tipe T.
Stasiun cuaca (weather station)
Davis Weather Station Wireless Vantage Pro2 ™ Plus digunakan untuk
mengukur parameter lingkungan di dalam rumah tanaman yaitu radiasi matahari,
kelembaban udara dan suhu.
Personal computer (PC)
Spesifikasi CPU intel®coreTMi7; 12GB RAM; dan 64-bit operating system
(OS) digunakan untuk proses simulasi menggunakan CFD.
Peralatan pendukung
Peralatan pendukung lain yang digunakan antara lain obeng, gunting, isolasi,
lem pipa, lem besi, benang kasur, tali rafia, gelas ukur, penggaris dan jangka
sorong.

9
Tanaman
bawang
merah

Dinding
wadah
tanam
(acrylic)

Air
bersuhu
rendah

Pipa
pendingin
(galvanis)

Media tanam
(arang sekam
dan
cocopeat)

Gambar 3 Skema pendinginan terbatas daerah perakaran

Gambar 4 Pipa pendingin yang dibenamkan di dalam media tanam

Gambar 5 Titik penempatan thermocouple

10
Tahapan Penelitian

Pengumpulan Data Teknik
Dimensi wadah tanam, seperti panjang, tinggi, dan lebar serta dimensi pipa
pendingin dibutuhkan dalam pembuatan geometri menggunakan software
SolidWorks. Data yang perlukan untuk bahan dinding wadah tanam, media tanam,
dan pipa pendingin yang digunakan adalah kerapatan, panas jenis, dan koefisien
konduktifitas panas.
Pengukuran Parameter Mikro
Parameter mikro yang diukur di dalam rumah tanaman adalah suhu media
tanam. Pengukuran suhu dilakukan menggunakan thermocouple. Ujung
thermocouple dilekatkan pada titik pengukuran yang dikehendaki kemudian ujung
lainnya dihubungkan dengan hybrid recorder untuk merekam data yang terukur.
Hasil pengukuran dari titik tersebut adalah titik pembanding yang akan digunakan
untuk validasi hasil simulasi menggunakan CFD.
Parameter lainnya yang diukur meliputi pengukuran kelembaban udara dan
radiasi matahari di dalam rumah tanaman. Parameter tersebut diukur menggunakan
weather station yang ditempatkan di dalam rumah tanaman. Selama pengukuran,
tidak ada aktivitas pertumbuhan tanaman karena tujuan dilakukan simulasi
menggunakan CFD adalah penghematan waktu dan biaya. Pengukuran dimulai
pukul 07.00 WIB sampai dengan pukul 17.00 WIB setiap 30 menit selama 3 hari.
Simulasi dengan CFD
Geometri wadah tanam yang digunakan pada simulasi berdasarkan dimensi
dan konstruksi yang digunakan pada penelitian sebelumnya (Harmain 2015). Jarak
antar pipa pendingin yang tersedia di lapangan adalah 14 cm, sedangkan jarak yang
digunakan pada simulasi adalah 10 cm sampai dengan 20 cm.
Dalam proses simulasi distribusi suhu menggunakan CFD diambil beberapa
asumsi yaitu:
1. Parameter input berupa suhu, radiasi matahari, dan kelembaban udara berada
dalam kondisi tunak pada suatu waktu t tertentu.
2. Suhu dinding pipa pendingin dianggap seragam.
3. Media tanam didefinisikan sebagai material padat.
4. Nilai emisivitas media tanam sebesar 0.5.
5. Suhu lingkungan, panas jenis, konduktifitas dan viskositas udara konstan selama
simulasi.

11

Mulai

Persiapan alat

Pengumpulan data teknik

Pengukuran parameter mikro

Pengukuran variabel
di lapangan

Radiasi matahari (W/m2), suhu
lingkungan (oC), suhu media tanam
(oC), suhu dinding pipa pendingin
(oC) dan kelembaban udara (%)

Panjang (m),
lebar (m), tinggi
(m) wadah
tanam dan
panjang (m)
serta diameter
(m) pipa
pendingin

Simulasi CFD dengan jarak 10 cm
sampai dengan 20 cm

A

12
A

Pembuatan geometri

Pendefinisian material
geometri
Pengaturan kondisi umum
Pengaturan domain, boundary
condition dan goal parameter
Run
Meshing
Tidak
Calculation

Konvergen?

Ya
Plot kontur, grafik, dan data dari goal
parameter

Validasi hasil simulasi
Perhitungan keseragaman distribusi
suhu

Penentuan jarak antar pipa pendingin

Selesai

Gambar 6 Diagram alir penelitian

13
Validasi Hasil Simulasi
Validasi model dilakukan dengan membandingkan dengan hasil simulasi
menggunakan CFD. Keakuratan hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dan hasil
simulasi dinyatakan dengan persentasi error. Persamaan yang digunakan adalah
sebagai berikut:
�−�

���� = |

�

|

%

(7)

Pengujian keakuratan hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dilakukan
pula dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara
suhu hasil pengukuran (x) dengan suhu hasil simulasi (y). Persamaan umum untuk
hubungan linier kedua variabel tersebut adalah sebagai berikut:
=

+

(8)

dimana (a) menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi, (b) merupakan
intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak. Prediksi dari hasil
simulasi dikatakan baik jika persamaan regresi memiliki intersep mendekati nol dan
gradiennya mendekati satu.
Keseragaman Distribusi Suhu
Keseragaman distribusi suhu digunakan sebagai indikator utama untuk
menentukan jarak antar pipa pendingin. Keseragaman distribusi suhu dinyatakan
dengan persamaan sebagai berikut:
n

Uq = 100

1- ∑|q̅-qi | / n.q̅

(9)

i=1

dimana q̅ adalah rata-rata suhu media tanam (oC), n adalah jumlah titik pengukuran,
dan qi adalah suhu media tanam pada titik tertentu (oC).

HASIL DAN PEMBAHASAN
Iklim Mikro di dalam Rumah Tanaman
Radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman merupakan radiasi
gelombang pendek dengan energi besar yang diubah menjadi gelombang panjang
karena melewati bahan penutup. Gelombang panjang yang masuk ke dalam rumah
tanaman mengalami penurunan energi, sehingga tidak mampu menembus bahan
penutup dan terperangkap di dalamrumah tanaman.
Faktor yang mempengaruhi tinggi rendahnya radiasi di dalam rumah tanaman
adalah posisi atau kedudukan matahari, lokasi rumah tanaman, dan faktor awan
(Mastalerz 1977). Pada penelitian ini yang sangat mempengaruhi adalah faktor

14
awan yang cenderung menutupi langit sehingga radiasi matahari terhalang.
Intensitas radiasi matahari cenderung fluktuatif sepanjang hari. Pada siang hari saat
suhu udara di dalam rumah tanaman meningkat, terlihat bahwa radiasi matahari
tidak selalu berkorelasi positif dengan kenaikan suhu udara di dalam rumah
tanaman.
Kenaikan suhu udara di dalam rumah tanaman disebabkan karena peristiwa
greenhouse effect. Greenhouse effect disebabkan oleh dua hal, yaitu pergerakan
udara di dalam rumah tanaman yang relatif sangat sedikit atau cenderung stagnan
dan radiasi gelombang panjang yang tidak dapat keluar dari rumah tanaman dan
terperangkap di dalamnya, sehingga menyebabkan suhu udara di dalam rumah
tanaman semakin meningkat (Suhardiyanto 2009). Jenis penutup atap rumah
tanaman juga sangat berpengaruh terhadap kenaikan suhu udara di dalam rumah
tanaman. bahan penutup yang terbuat dari kaca akan menghasilkan suhu yang lebih
tinggi dibandingkan dengan bahan yang terbuat dari plastik.
Peningkatan suhu di dalam rumah tanaman juga berpengaruh terhadap
kelembaban relatif atau relative humidity. Kelembaban relatif udara berkorelasi
negatif terhadap suhu udara. Semakin meningkat suhu udara di dalam rumah
tanaman, kelembaban relatif semakin menurun. Gambar 7 dan 8 adalah grafik
tipikal perubahan radiasi matahari, suhu udara dan kelembaban relatif di dalam
rumah tanaman tanggal 18 September 2015.
40

30
25

150

20
100

15
10

50
5
0

0
7:00
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
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

Radiasi matahari (W/m2)

35
200

Suhu udara rumah tanaman (oC)

250

Waktu pengukuran (WIB)
Radiasi matahari

Suhu udara rumah tanaman

Gambar 7 Grafik perubahan radiasi matahari dan suhu udara rumah tanaman
tanggal 18 September 2015

40

100

35

90

70
25

60

20

50

15

40
30

10

Kelembaban relatif (%)

80
30

20
5

10

0

0
7:00
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
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

Suhu udara rumah tanaman (oC)

15

Waktu pengukuran (WIB)
Suhu udara rumah tanaman
Kelembaban relatif

Gambar 8 Grafik perubahan suhu udara dan kelembaban relatif di dalam rumah
tanaman tanggal 18 September 2015
Sistem zone cooling digunakan untuk mendinginkan media tanam pada
daerah perakaran. Zone cooling system dilakukan untuk menghindari kenaikan suhu
media tanam yang sangat tinggi pada siang hari. Proses zone cooling pada penelitian
ini dilakukan dengan cara mengalirkan air yang telah didinginkan oleh chiller ke
dalam pipa pendingin yang dibenamkan di dalam media tanam. Pipa pendingin
tersebut membentuk rangkaian heat exchanger (berkelok-kelok seperti yang terlihat
pada Lampiran 2). Dalam penelitian ini, set point chiller pada suhu 14 oC karena
suhu optimum lingkungan pertumbuhan tanaman bawang merah kurang dari 20 oC
(Zulkarnain 2013).
Zone cooling berlangsung mulai pukul 07:00 WIB hingga pukul 17:00 WIB.
Pipa pendingin dibenamkan di dalam media tanam untuk menghindari paparan
radiasi matahari langsung. Dinding pipa yang berisi air yang didinginkan
mengalami penurunan suhu pada pagi hari, namun pada siang hari terjadi
peningkatan suhu dinding pipa pendingin. Hal ini terjadi karena suhu yang relatif
tinggi di dalam rumah tanaman dan intensitas radiasi matahari yang masuk ke dalam
rumah tanaman hingga menembus media tanam. Media tanam mengalami
peningkatan suhu sepanjang pagi dan siang hari. Hal ini dipengaruhi sifat dan
karakteristik media tanam yang memiliki warna hitam, sehingga media tanam
bersifat absorber atau menyerap panas. Media tanam juga terpapar langsung dengan
radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman. Keseragaman distribusi
suhu media tanam sangat dipengaruhi oleh iklim mikro di dalam rumah tanaman,
seperti suhu udara rumah tanaman dan intensitas radiasi matahari. Pada pukul 12:00
WIB besarnya intensitas radiasi matahari mempengaruhi peningkatan suhu udara
di dalam rumah tanaman (Gambar 7), suhu dinding pipa pendingin dan suhu media
tanam. Selain itu, jarak antar pipa pendingin juga mempengaruhi distribusi suhu

16

35

30

30

25

25

20

20

15

15

10

10

5

5

0

0

Suhu dinding pipa (oC)

35

7:00
7:30
8:00
8:30
9:00
9:30
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

Suhu media tanam (oC)

media tanam. Gambar 9 menunjukkan perubahan suhu pada dinding pipa pendingin
dan suhu pada media tanam.

Waktu pengukuran (WIB)
Media Tanam

Dinding Pipa

Gambar 9 Grafik perubahan suhu media tanam dan suhu dinding pipa
tanggal 18 September 2015
Kondisi chiller juga berperan penting selama sistem zone cooling
berlangsung. Suhu air pada pagi hari berkisar antara 24 sampai 26 oC, sehingga
chiller membutuhkan waktu untuk menurunkan suhu air sampai dengan set point
suhu air pendingin. Dalam penelitian ini, set point suhu air pendingin adalah 14 oC
dan diharapkan mampu menurunkan dan menjaga suhu media tanam kurang dari
20 oC.
Gambar 10 menunjukkan laju penurunan suhu air dan performa chiller untuk
menurunkan suhu air hingga set point suhu air pendingin. Chiller dengan kapasitas
tangki 43.15 liter yang digunakan dalam penelitian ini, membutuhkan waktu 8
menit 39 detik untuk menurunkan suhu air hingga set point suhu air pendingin.

17
30

Suhu air (oC)

25

20

15

10
0

1

2

3

4
5
Waktu (menit)

6

7

8

9

Gambar 10 Grafik laju penurunan suhu air

Simulasi CFD
Preprosessor
Pembuatan Geometri Sistem Termal
Dimensi yang digunakan untuk pembuatan geometri ini adalah kondisi
sebenarnya sesuai dengan kenyataan di lapangan. Geometri sistem termal terdiri
dari wadah tanam, media tanam dan pipa pendingin. Jarak antar pipa pendingin
yang digunakan adalah jarak yang sudah tersedia dan digunakan pada penelitian
sebelumnya, yaitu 14 cm.

Gambar 11 Geometri sistem termal dari media tanam dengan wadahnya
Setelah geometri siap disimulasikan, selanjutnya dipilih Flow Simulation,
Wizard dan memasukkan data kondisi awal media tanam. Pada kasus ini, media
tanam didefinisikan sebagai material padat. Data kondisi awal yang media tanam
pada tanggal 27 Juni 2015 dapat dilihat pada Tabel 1.

18

Tabel 1 Input kondisi awal simulasi sistem termal
Input
Suhu lingkungan (oC)
Suhu material padat (oC)

Nilai
33
25.9

RH lingkungan (%)

57

Kecepatan angin (m/s)

0

Arah angin

-

Radiasi matahari (W/m2)
Waktu (WIB)

183
13.00

Penetapan General Setting
Langkah penetapan general setting meliputi empat tahapan, yaitu
menentukan tipe analisis, jenis fluida, jenis material padat, dan kondisi batas awal.
Tipe aliran yang digunakan adalah aliran eksternal karena perpindahan panas pada
sistem termal dalam penelitian ini sangat dipengaruhi oleh lingkungan eksternal
sedangkan sifat-sifat air di dalam pipa pendingin tidak diperhitungkan dalam
simulasi ini. Input yang dipilih adalah suhu lingkungan, radiasi matahari,
konduktifitas bahan, dan nilai gravitasi (Gambar 12).
Penelitian ini dilakukan di Leuwikopo, Dramaga, Bogor dengan latitude
6o33’ dan waktu yang dipilih untuk input simulasi adalah pukul 13:00 WIB dengan
radiasi sebesar 183 W/m2. Jenis fluida yang dianalisis adalah udara dengan tipe
aliran laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara (Gambar 13).
Jenis material padat yang digunakan adalah media tanam yang berupa campuran
arang sekam dan cocopeat (Gambar 14). Kondisi lingkungan luar yang dimasukkan
pada kondisi batas awal simulasi adalah suhu dan kelembaban di dalam rumah
tanaman (Gambar 15).

19

Gambar 12 Pengaturan tipe analisis

Gambar 13 Pengaturan jenis fluida dan tipe aliran yang dianalisis

20

Gambar 14 Pemilihan material solid

Gambar 15 Pengaturan kondisi batas awal

21
Penentuan Batasan Bahan Sistem Termal
Wadah tanam, media tanam, dan pipa pendingin adalah bagian-bagian yang
didefinisikan jenis material penyusunnya. Bagian-bagian ini memiliki pengaruh
besar dalam proses pindah panas maupun pola aliran udara. Wadah tanam, media
tanam, dan pipa pendingin didefinisikan sebagai media solid.
Tabel 2 Sifat bahan acrylic, arang sekam-cocopeat, dan galvanized steel
Sifat bahan
Kerapatan (ρ)
Panas jenis (cp)
Konduktifitas panas (k)
Tipe konduktifitas
Harmain 2015

Satuan
kg/m3
J/kgK
W/mK
-

Acrylic

Arang sekam –
cocopeat

Galvanized
steel

1190
1250
0.21
Isotropik

178.17
2378
0.067633
Isotropik

7870
382
18
Isotropik

Pengaturan Boundary Conditions
Dinding pipa pendingin merupakan komponen sistem termal media tanam
dan wadahnya yang menjadi sumber terjadinya perpindahan panas, sehingga
kondisi batas yang ditetapkan hanya meliputi dinding pipa pendingin (real wall).

Gambar 16 Pemilihan kondisi batas (real wall)
Pengaturan Tujuan (Goal)
Pengaturan tujuan atau goal dari simulasi ini adalah suhu fluida global, heat
flux global, dan suhu material padat global. Suhu fluida digunakan untuk
mengetahui distribusi suhu di atas media tanam yang juga merupakan suhu
lingkungan rumah tanaman. Heat flux global digunakan untuk mengetahui pindah
panas yang terjadi dari dinding pipa pendingin ke media tanam. Suhu material padat
global digunakan untuk mengetahui distribusi suhu pada material padat, yaitu
media tanam yang berupa campuran arang sekam dan cocopeat.

22
Pengaturan Mesh
Pengaturan mesh yang dipilih adalah basic setting dengan jumlah mesh pada
sumbu X = 1, Y = 69, dan Z = 180 . Pengaturan mesh mempengaruhi jumlah sel
dalam grid. Semakin banyak jumlah sel dalam satu grid maka ketelitian hasil
pemecahan semakin baik (Tuakia 2008). Grid pada media tanam terbagi menjadi
dua jenis grid, yaitu fluida dan solid. Jumlah grid yang berupa fluida adalah 12670
grid, sedangkan jumlah grid yang berupa solid adalah 267368 grid. Grid berupa
solid berjumlah lebih banyak karena distribusi suhu yang diinginkan di bagian
media tanam yang didefinisikan sebagai material solid.

Gambar 17 Pengaturan mesh

Gambar 18 Grid solid di dalam media tanam
Solver
Pada tahap solver terdapat langkah running, meshing, calculation, dan bagian
konvergenitas. Pada proses ini ditampilkan grafik yang menunjukkan
konvergenitas residual variation. Proses perhitungan menghasilkan residual yang

23
menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya. Jika proses iterasi terus berjalan
maka solusi diperoleh. Proses iterasi berhenti ketika kondisi konvergen tercapai.
Postprocessor
Tahap ini merupakan kegiatan pengambilan bentuk keluaran data yang
diinginkan dari hasil simulasi CFD. Pada penelitian ini data yang ditampilkan
adalah berupa tampilan dan bentuk kontur dari suhu udara, heat flux, dan suhu
material padat.

Hasil Simulasi Distribusi Suhu Media Tanam
Simulasi yang dilakukan dalam penelitian ini terutama meliputi prediksi
distribusi suhu media tanam. Simulasi dilakukan untuk saat pengukuran pukul
13:00 WIB. Hasil simulasi ditampilkan sebagai kontur suhu.

Gambar 19 Distribusi suhu di dalam media tanam dengan jarak antar pipa
pendingin sebesar 14 cm
Gambar 19 menunjukkan distribusi suhu yang terjadi di dalam media tanam pada
saat radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman sedang berada pada nilai
183 W/m2 dan suhu lingkungan rumah tanaman 33 oC. Nilai suhu terendah di dalam
media tanam digambarkan dengan warna biru sedangkan nilai suhu tertinggi
digambarkan dengan warna merah.
Distribusi suhu di dalam media tanam hasil simulasi berkisar antara 20.3
sampai 28.8 oC. Suhu paling rendah terdapat di bagian pipa pendingin dan suhu
tertinggi terdapat pada sisi kiri dan kanan media tanam. Bagian media tanam yang
mendekati pipa pendingin memiliki suhu yang relatif rendah, hal ini disebabkan
terjadinya pindah panas konduksi antara media tanam dengan pipa pendingin.

24
Suhu media tanam yang optimal untuk pertumbuhan tanaman bawang merah
adalah 13 sampai 20 oC (Zulkarnain 2013). Distribusi suhu media tanam dengan
jarak antar pipa pendingin sebesar 14 cm tidak sesuai dengan suhu optimal
lingkungan pertumbuhan tanaman bawang merah, sehingga perlu dilakukan
simulasi dengan variasi jarak antar pipa pendingin untuk menemukan distribusi
suhu media tanam yang optimal lingkungan pertumbuhan tanaman bawang merah.
Simulasi dilakukan untuk mengevaluasi distribusi suhu di dalam media tanam
dan mengetahui koefisien keseragaman distribusi suhu dengan jarak antar pipa
pendingin sebesar 14 cm. Keseragaman distribusi suhu dihitung dengan
menggunakan fitur point parameters pada software Solidworks. Titik-titik suhu
diambil secara horizontal dan vertikal. Keseragaman horizontal dengan jarak antar
pipa pendingin 14 cm adalah 82.90 %, sedangkan keseragaman vertikalnya sebesar
95.53 %.
Validasi Hasil Simulasi Suhu Media Tanam
Validasi dilakukan untuk mengetahui nilai ketepatan antara hasil simulasi
dengan hasil pengukuran. Data yang digunakan untuk validasi adalah data suhu
media tanam pada titik-titik pengukuran. Terdapat 10 titik validasi yang
ditempatkan pada media tanam.
Pengujian keakuratan hasil simulasi dilakukan dengan analisis regresi yang
terbentuk pada hubungan linier antara distribusi suhu media tanam hasil simulasi
dengan distribusi suhu media tanam hasil pengukuran yang ditunjukkan pada
Gambar 20. Hasil analisis regresi menunjukkan bahwa dari persamaan linier y = ax
+ b, nilai a sebesar 0.8116 dan b sebesar 1.0234 dengan koefisien determinasi R2
sebesar 0.9649.

25

Validasi
35
y = 1.0234x + 0.8116
R² = 0.9649

Suhu hasil pengukuran (oC)

30
25
20
15

y=x
10
5
0
0

5

10

15
20
25
o
Suhu hasil simulasi ( C)

30

35

Gambar 20 Hubungan linier dalam plot suhu hasil simulasi dengan hasil
pengukuran
Prediksi dari simulasi ini cukup baik karena persamaan regresi memiliki
intersep mendekati nol dan gradient mendekati satu, sehingga simulasi distribusi
suhu media tanam dengan jarak 14 cm dapat diterima dan dapat dijadikan acuan
untuk menentukan jarak antar pipa pendingin dengan nilai keseragaman yang
optimum.
Variasi Jarak antar Pipa Pendingin
Simulasi distribusi suhu media tanam yang telah berhasil dikembangkan
kemudian digunakan untuk menentukan jarak antar pipa pendingin agar mencapai
suhu daerah perakaran yang sesuai untuk lingkungan pertumbuhan tanaman
bawang merah. Keseragaman suhu media tanam dilihat dalam satu garis horizontal
dan vertikal untuk menentukan rekomendasi titik tumbuh tanaman bawang merah
dengan suhu perakaran yang optimal.
Simulasi dilakukan untuk mengetahui suhu media tanam minimum dan
maksimum pada saat pukul 13:00 WIB dengan berbagai variasi jarak antar pipa
pendingin.

26
a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

Gambar 21 Variasi berbagai jarak pipa pendingin : (a) 10 cm (b) 11 cm (c) 12 cm
(d) 13 cm (e) 15 cm (f) 16 cm (g) 17 cm (h) 18 cm (i) 19 cm (j) 20 cm

27
Gambar 21 menunjukkan distribusi suhu media tanam dengan berbagai jarak
antar pipa pendingin. Semakin rapat jarak antar pipa pendingin, suhu media tanam
pada garis horizontal semakin rendah. Semakin jauh jarak antar pipa pendingin,
suhu media tanam juga semakin meningkat.
Variasi jarak pipa pendingin juga mempengaruhi keseragaman distribusi suhu
media tanam. Keseragaman distribusi suhu dihitung dengan menggunakan fitur
point parameters pada software Solidworks. Titik-titik suhu diambil secara
horizontal dan vertikal.

a

Horizontal
100

Keseragaman (%)

80
60
40
20
0
0

2

4

6
8
10
12
14
Jarak antar pipa pendingin (cm)

16

18

20

b

Vertikal
100

Keseragaman (%)

80
60
40
20
0
0

2

4

6
8
10
12
14
Jarak antar pipa pendingin (cm)

16

18

20

Gambar 22 Grafik jarak antar pipa pendingin terhadap koefisien keseragaman
(a) horizontal (b) vertikal

28
Gambar 22 menunjukkan bahwa keseragaman akan menurun dengan
bertambahnya jarak lateral antar pipa pendingin. Hal ini dipengaruhi pindah panas
konduksi yang terjadi di dalam media tanam dan nilai konduktivitas arang sekamcocopeat. Distribusi suhu media tanam yang sesuai untuk lingkungan pertumbuhan
tanaman bawang merah adalah distribusi suhu media tanam dengan pipa pendingin
berjarak lateral 10 cm, 11 cm, dan 12 cm. Berdasarkan Gambar 21 terlihat bahwa
suhu media tanam yang dicapai kurang dari 20 oC, sehingga cocok untuk budidaya
tanaman bawang merah. Distribusi suhu media tanam pada pipa pendingin dengan
jarak diatas 12 cm kurang sesuai untuk lingkungan pertumbuhan tanaman, karena
suhu media tanamnya mencapai 28 oC.
Jarak antar pipa pendingin yang pendek memiliki keseragaman serta
distribusi suhu media tanam yang sangat baik, namun membutuhkan pipa pendingin
yang lebih banyak dalam penggunaannya, sehingga dibutuhkan jarak yang
optimum dengan keseragaman yang cukup tinggi dan distribusi suhu media tanam
yang baik. Rekomendasi jarak antar pipa pendingin dalam sistem zone cooling ini
adalah 12 cm. Pipa pendingin dengan jarak 12 cm memiliki keseragaman vertikal
dan horizontal yang cukup tinggi, distribusi suhu media tanam yang baik dan sesuai
untuk pertumbuhan tanaman bawang merah

SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Hasil simulasi distribusi suhu media tanam maksimum dengan menggunakan
CFD untuk jarak anta