Simulasi Sebaran Suhu pada Chamber Aeroponik dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)

(1)

SIMULASI SEBARAN SUHU PADA

CHAMBER

AEROPONIK

DENGAN MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID

DYNAMICS

(CFD)

SKRIPSI

DERRY RISKAWATI

F14080081

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012


(2)

SIMULATION OF TEMPERATURE DISTRIBUTION ON AEROPONIC

CHAMBER BY USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Derry Riskawati and Herry Suhardiyanto

Department of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology,

Bogor Agricultural University, IPB Darmaga Campus, Bogor, West Java, Indonesia. Phone 0856 9158 5116, e-mail: derryriska@yahoo.com

ABSTRACT

The most important part of aeroponic system is chamber for plant roots growing. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a powerful software to analyze micro-environment on the aeroponic chamber. The objectives of this research were to study the changes in nutrient solution temperature on aeroponic system as impact the changes air temperature and solar radiation of greenhouse, to study heat transfer on aeroponic chamber as impact the changes chamber temperature, and to simulate of distribution temperature on various dimension of aeroponic chamber by using CFD. Results show that air temperature in the chamber was influenced by temperature of nutrient solution that sprayed out from nozzle and temperature of greenhouse that absorbed by the chamber material. Air temperature in the chamber were 21.32 oC to 35.62 oC. Every side of chamber have a different heat transfer depend on direct of solar radiation that transmitted in greenhouse. Heat transfer equations were solved by using the first thermodynamic’s law. CFD simulation has been conducted for air temperature in aeroponic chamber. Simulated chamber temperature were 24.1 oC at 08:00 while 34.4 oC at 13:00. Validation of the model had been done by using error presentage and linear regression analysis. It had been shown that the simulated temperature of aeroponic chamber agreed well with that of the measured temperatures.


(3)

DERRY RISKAWATI. F14080081. Simulasi Sebaran Suhu pada Chamber Aeroponik dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Herry Suhardiyanto. 2012

RINGKASAN

Pengendalian suhu udara pada zona pertumbuhan tanaman penting untuk dilakukan. Tanaman yang dibudidayakan pada rumah tanaman di daerah tropis akan mengalami stress apabila lingkungan mikro tanaman tidak dikendalikan. Salah satu upaya untuk merekayasa lingkungan di daerah pertumbuhan tanaman adalah dengan menggunakan sistem hidroponik. Sistem hidroponik yang sedang berkembang di Indonesia dan dikatakan paling efektif adalah aeroponik. Teknologi aeroponik memberdayakan udara atau bercocok tanam di udara. Pada teknik ini, akar tanaman dibiarkan tumbuh menggantung di udara. Salah satu bagian instalasi aeroponik di lapangan adalah penggunaan bedengan sebagai ruangan untuk akar tanaman tumbuh menggantung dan mendapatkan larutan nutrisi. Dimensi dan model dari bedengan atau chamber ini pun beraneka ragam yang disesuaikan untuk tujuan penelitian ataupun komersial. Berbagai dimensi berbeda yang umum digunakan merupakan alasan penelitian ini dilakukan. Untuk menganalisis lingkungan mikro pada chamber aeroponik tersebut, dilakukan dengan pendekatan model komputasi dinamika fluida atau computational fluid dynamics (CFD).

Tujuan penelitian adalah untuk mempelajari perubahan suhu larutan nutrisi pada sistem aeroponik sebagai akibat dari perubahan suhu udara dan radiasi matahari, mempelajari perpindahan panas pada chamber aeroponik sebagai akibat dari perubahan suhu chamber, serta melakukan simulasi sebaran suhu pada berbagai dimensi chamber aeroponik dengan menggunakan CFD. Penelitian ini dilakukan di dalam rumah tanaman (greenhouse) yang berada di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo Leuwikopo dan untuk simulasi sebaran suhu dengan program CFD dilakukan di Laboratorium Lingkungan Bangunan Pertanian, IPB pada bulan Maret sampai Juli 2012.

Parameter yang diukur meliputi suhu dan radiasi matahari pada lingkungan rumah tanaman menggunakan alat Weather Station serta suhu chamber aeroponik dan larutan nutrisi menggunakan termokopel. Untuk menganalisis model-model simulasi digunakan software SolidWorks dengan data penelitian sebagai inputnya. Model chamber aeroponik yang digunakan dalam simulasi CFD terdiri atas empat dimensi panjang yang berbeda, yaitu pada panjang chamber 1.5 m, 5 m, 8 m, dan 12 m.

Suhu larutan nutrisi dipengaruhi oleh radiasi matahari dan suhu udara rumah tanaman. Namun, peningkatan suhu larutan nutrisi lebih lambat dibandingkan suhu udara rumah tanaman. Perbedaan suhu yang terjadi adalah 0.1oC sampai 5.2oC. Suhu di dalam chamber dipengaruhi oleh suhu larutan nutrisi yang tersemprot keluar dari nozzle dan suhu udara rumah tanaman yang terserap oleh bahan pelapis berupa multiplek dan styrofoam dalam bentuk panas. Suhu di dalam chamber sebesar 21.32oC sampai 35.62oC. Suhu ini cenderung lebih tinggi dikarenakan chamber dalam keadaan tertutup rapat dan hanya ada satu lubang outlet sehingga pergerakan suhu berjalan lambat dan panas akan terakumulasi di dalam chamber. Pindah panas setiap sisi chamber berbeda-beda tergantung arah radiasi matahari masuk ke dalam rumah tanaman, resistansi aliran panas (insulasi), luasan bahan material, dan perbedaan suhu di sekitar bahan. Pindah panas paling besar adalah sisi depan (arah Barat) dengan nilai 252.46 W/m karena tidak hanya dipengaruhi oleh udara panas rumah tanaman, tetapi dipengaruhi juga oleh panas yang keluar dari chiller (pendingin). Pindah panas paling kecil adalah sisi bawah dengan nilai 189.18 W/m karena melepaskan panas ke udara di atas lantai yang bersuhu rendah dibandingkan dengan permukaan chamber bagian bawah.


(4)

Dari hasil simulasi CFD, diketahui bahwa chamber dengan panjang 1.5 meter dan 5 meter mempunyai lapisan-lapisan suhu yang berbeda dan cenderung merata. Lapisan atas chamber merupakan lapisan yang bersuhu lebih tinggi dan kemudian semakin ke dasar chamber akan menghasilkan lapisan-lapisan yang bersuhu lebih rendah. Pada chamber dengan panjang 8 meter dan 12 meter, diketahui bahwa suhu fluida terdapat pendinginan yang berasal dari inlet pipa lateral dan lubang pengeluaran larutan nutrisi yang berada tepat diatas bak penampungan larutan nutrisi. Namun, terdapat pula pemanasan dari luar chamber yang menyebabkan suhu lebih tinggi di sisi lainnya. 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. Perubahan suhu udara chamber pada pukul 08:00 dan 13:00 hanya mencapai 0.08oC 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. Pada pagi hari, suhu di dalam chamber mencapai 24.1oC sehingga suhu ini masih dalam batas toleransi bagi pertumbuhan tanaman. Namun pada siang hari, suhu di dalam chamber lebih dari 34oC sehingga perlu adanya pendinginan atau rekayasa lingkungan mikro di sekitar tanaman agar dapat tumbuh dan berkembang secara baik.

Pengujian keakuratan hasil simulasi dengan hasil pengukuran menggunakan metode presentase error dan persamaan garis regresi linier. Error yang dihasilkan mencapai 13.16%, sedangkan dengan garis regresi didapat intersep -3.572 yang mendekati nol, gradien 1.184 yang mendekati satu, dan koefisien determinasi R2 0.943. Berdasarkan pengujian tersebut, diketahui bahwa prediksi dari model simulasi baik dan mendekati hasil pengukuran.


(5)

SIMULASI SEBARAN SUHU PADA

CHAMBER

AEROPONIK

DENGAN 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

DERRY RISKAWATI

F14080081

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012


(6)

Judul Skripsi : Simulasi Sebaran Suhu pada

Chamber

Aeroponik dengan

Menggunakan

Computational Fluid Dynamics

(CFD)

Nama

: Derry Riskawati

NIM

: F14080081

Menyetujui,

Pembimbing,

(Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc.)

NIP. 19590910 198503 1 003

Mengetahui:

Ketua Departemen,

(Dr. Ir. Desrial, M.Eng.)

NIP. 19661201 199103 1 004


(7)

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Simulasi Sebaran Suhu pada Chamber Aeroponik dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)

adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada 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 Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Bogor, November 2012 Yang membuat pernyataan

Derry Riskawati F14080081


(8)

© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2012 Hak cipta dilindungi

Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari

Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya.


(9)

BIODATA PENULIS

Derry Riskawati, dilahirkan di Bogor pada tanggal 17 Maret 1990 dari ayah Sutrisno dan ibu Sugiarti, sebagai putri pertama dari dua bersaudara.

Pendidikan formal mulai ditempuh di TK Tunas Muda IV Bogor pada tahun 1995-1996. Selanjutnya, penulis menempuh pendidikan di SDN Semeru IV Bogor pada tahun 1996-2002. Pada tahun 2002-2005 melanjutkan di SMP Negeri 6 Bogor. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2008 dari SMA Negeri 5 Bogor dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih program studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif dalam berbagai kepengurusan organisasi intra-kampus diantaranya sebagai Anggota UKM Uni Konservasi Fauna IPB pada tahun 2008-2009, Anggota Divisi Konservasi Primata UKF tahun 2009-2010, Sekretaris Bidang Keilmuan UKF tahun 2010, dan pada tahun 2010-2011 menjadi Sekretaris Departemen HRD Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian IPB. Penulis juga pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Mekanika Teknik tahun 2012, mata kuliah Teknologi Greenhouse dan Hidroponik tahun 2012.

Pada tahun 2011, penulis melaksanakan praktik lapangan di PT Kusuma Agrowisata, Malang, Jawa Timur dengan judul “Aspek Keteknikan Pertanian pada Budidaya Jeruk (Citrus sp) di PT Kusuma Agrowisata, Batu”. Kemudian pada tahun 2012, penulis melakukan penelitian dan penulisan tugas akhir dengan judul “Simulasi Sebaran Suhu pada Chamber Aeroponik dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)”.


(10)

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas karunia-Nya sehingga skripsi dengan judul Simulasi Sebaran Suhu pada Chamber Aeroponik dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) dapat diselesaikan.

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 yang telah memberikan arahan selama penelitian sampai penyusunan skripsi.

2. Dr. Ir. Lilik Pujantoro, M.Agr. dan Dr. Ir. Edy Hartulistiyoso, M.Sc. sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran untuk penyempurnaan skripsi.

3. Mama, Papa, dan Fani yang telah memberikan doa, kasih sayang, serta dukungan moril dan materil.

4. Pak Ahmad, Pak Harto, Mas Darma, dan Mas Firman yang telah memberikan bantuan selama penelitian.

5. Aulia, Nurul Fuadah, Kak Crisye, Bu Eni, dan Kak Agus yang telah memberikan ilmu, pengalaman, dukungan selama proses penelitian sampai penulisan tugas akhir.

6. Bareth, Soleh, Panji, Dina, Yuli, Kak Kinan yang telah menjadi teman seperjuangan dalam membantu proses simulasi CFD.

7. Ana, Yulfi, bang Tri, Cumi, Gita, Icha, Tia, Ninggar yang telah menemani, mendukung, dan memberikan keriangan di Wisma Agung 2.

8. Muhammad Amin Shodiq atas motivasi, semangat, dan bantuan yang telah diberikan. 9. Seluruh teman-teman Magenta 45 (TEP 2008) atas kebersamaan dan kekeluargaannya.

Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang teknologi greenhouse dan hidroponik pada khususnya serta di bidang pertanian pada umumnya.

Bogor, November 2012 Penulis


(11)

iv

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR TABEL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR LAMPIRAN ... vii

I. PENDAHULUAN ... 1

A. Latar Belakang ... 1

B. Tujuan ... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3

A. Rumah Tanaman ... 3

B. Aeroponik ... 4

C. Suhu dan Kelembaban ... 5

D. Prinsip-Prinsip Pindah Panas ... 6

E. Dasar-Dasar Simulasi ... 7

F. Computational Fluid Dynamics ... 8

III. METODOLOGI ... 10

A. Waktu dan Tempat Penelitian ... 10

B. Alat dan Bahan Penelitian ... 10

C. Metode Penelitian ... 12

VI. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 25

A. Radiasi matahari dan Suhu Udara di Dalam Rumah Tanaman ... 25

B. Suhu Larutan Nutrisi dan Suhu di Dalam Chamber ... 26

C. Analisis Keseimbangan Panas pada Chamber ... 28

D. Sebaran Suhu Chamber ... 30

E. Validasi Hasil Simulasi Suhu Chamber Aeroponik ... 38

V. SIMPULAN DAN SARAN ... 40

A. Simpulan ... 40

B. Saran ... 40

DAFTAR PUSTAKA ... 41


(12)

v

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Suhu kardinal beberapa tanaman ... 6

Tabel 2. Ikhtisar persamaan-persamaan yang berguna bagi perpindahan panas konveksi paksa di dalam pipa dan saluran ... 15

Tabel 3. Sifat fisik material chamber aeroponik ... 18

Tabel 4. Pindah panas total pada sistem aeroponik tanggal 1 Mei 2012 ... 29

Tabel 5. Proses perpindahan energi panas pada bagian chamber dan pipa ... 30

Tabel 6. Data input simulasi CFD ... 30

Tabel 7. Suhu chamber aeroponik hasil simulasi CFD pukul 08:00 ... 34


(13)

vi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Rumah tanaman tipe modified standard peak ... 3

Gambar 2. Skema perpindahan panas yang terjadi di dalam rumah tanaman ... 4

Gambar 3. Sistem aeroponik ... 5

Gambar 4. Chamber aeroponik dan sistem irigasi yang digunakan ... 10

Gambar 5. Bak penampung larutan nutrisi dan Hybrid Recorder ... 11

Gambar 6. Weather Station dan LCD Control ... 11

Gambar 7. Skema proses perpindahan panas pada chamber aeroponik ... 14

Gambar 8. Skema tahapan simulasi menggunakan CFD ... 17

Gambar 9. Geometri chamber aeroponik ... 17

Gambar 10. Tampilan Project Configuration pada SolidWorks ... 18

Gambar 11. Tampilan Unit System pada SolidWorks ... 19

Gambar 12. Tampilan Analysis Type SolidWorks ... 19

Gambar 13. Tampilan Default Fluid SolidWorks ... 20

Gambar 14. Tampilan Default Solid SolidWorks ... 20

Gambar 15. Tampilan Wall Conditions SolidWorks ... 20

Gambar 16. Tampilan Initial Conditions SolidWorks ... 21

Gambar 17. Tampilan Result and Geometry Resolution SolidWorks ... 21

Gambar 18. Tampilan Initial Mesh SolidWorks ... 22

Gambar 19. Tampilan Computational Domain SolidWorks ... 22

Gambar 20. Tampilan Fluid Subdomain SolidWorks ... 23

Gambar 21. Tampilan Run SolidWorks ... 23

Gambar 22. Tampilan Calculation Control Option SolidWorks ... 24

Gambar 23. Grafik perubahan radiasi matahari lingkungan rumah tanaman pada tanggal 1 Mei 2012 ... 25

Gambar 24. Grafik perubahan suhu udara lingkungan rumah tanaman pada tanggal 1 Mei 2012 ... 26

Gambar 25. Grafik perubahan suhu larutan nutrisi pada tanggal 1 Mei 2012 ... 27

Gambar 26. Grafik perubahan suhu dan RH chamber aeroponik pada tanggal 1 Mei 2012 27

Gambar 27. Perpindahan panas pada chamber aeroponik ... 29

Gambar 28. Model simulasi chamber aeroponik dengan panjang (a) 5 m, (b) 8 m, dan (b) 12 m ... 31

Gambar 29. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 08:00 pada dimensi panjang chamber (a) 1.5 meter dan (b) 5 meter ... 32

Gambar 30. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 08:00 pada dimensi panjang chamber (a) 8 meter dan (b) 12 meter ... 33

Gambar 31. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 13:00 pada dimensi panjang chamber (a) 1.5 meter dan (b) 5 meter ... 36

Gambar 32. Sebaran suhu di dalam chamber aeroponik pukul 13:00 pada dimensi panjang chamber (a) 8 meter dan (b) 12 meter ... 37


(14)

vii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1. Skema titik-titik pengukuran ... 44 Lampiran 2. Sifat fisik udara dan air ... 45 Lampiran 3. Perhitungan pindah panas pada sistem chamber aeroponik pukul 08:00 ... 46 Lampiran 4. Data suhu udara dan radiasi matahari Rumah Tanaman tanggal 1 Mei 2012 ... 50 Lampiran 5. Data suhu bahan material dan suhu udara pengukuran terkalibrasi ... 52 Lampiran 6. Data laju pindah panas pada sistem chamber aeroponik ... 59 Lampiran 7. Data validasi suhu hasil simulasi terhadap hasil pengukuran ... 63


(15)

1

I.

PENDAHULUAN

A.

LATAR BELAKANG

Penggunaan rumah tanaman memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman. Parameter yang berpengaruh terhadap pertumbuhan tanaman adalah radiasi matahari, suhu udara, kelembaban udara, pasokan nutrisi, kecepatan angin, dan konsentrasi karbondioksida dapat dikendalikan dengan mudah (Suhardiyanto 2009). Permasalahan yang terjadi pada penggunaan rumah tanaman di Indonesia yang beriklim tropis basah adalah pengendalian kondisi suhu pada zona tanaman yang dapat mengakibatkan pertumbuhan tanaman tidak optimal. Rumah tanaman dapat menyebabkan peristiwa greenhouse effect atau efek rumah kaca, yaitu radiasi matahari gelombang pendek yang berenergi tinggi masuk ke dalam rumah tanaman kemudian diubah menjadi gelombang panjang. Karena sudah kehilangan energi, gelombang tersebut sudah tidak mampu menembus lapisan bahan penutup rumah tanaman sehingga terperangkap dan menyebabkan kenaikan suhu di dalam rumah tanaman. Oleh karena itu, faktor suhu lingkungan rumah tanaman merupakan parameter kritis dalam pengendalian lingkungan fisik tanaman.

Pengendalian suhu udara pada zona pertumbuhan tanaman penting untuk dilakukan. Tanaman yang dibudidayakan pada rumah tanaman di daerah tropis akan mengalami stress apabila lingkungan mikro tanaman tidak dikendalikan. Intensitas radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman cukup tinggi sehingga meningkatkan suhu di dalam rumah tanaman. Tanaman sangat rentan terhadap perubahan suhu sehingga sebisa mungkin mengusahakan suhu udara mendekati suhu optimum pertumbuhan tanaman tersebut.

Sistem hidroponik root mist technique atau lebih dikenal dengan aeroponik merupakan modifikasi hidroponik terbaru di Indonesia. Pada sistem hidroponik ini, pengembangan teknologi budidaya tanamannya memanfaatkan lahan secara optimal dan meningkatkan produktivitas serta kualitas tanaman. Teknologi aeroponik memberdayakan udara atau bercocok tanam di udara. Pada teknik ini, akar tanaman dibiarkan tumbuh menggantung di udara. Nutrisi diberikan dengan cara pengkabutan secara merata di daerah perakaran sehingga butir-butir larutan nutrisi melekat di akar dan diserap sampai ke atas tanaman.

Salah satu bagian instalasi aeroponik di lapangan adalah penggunaan bedengan sebagai ruangan untuk akar tanaman tumbuh menggantung dan mendapatkan larutan nutrisi. Dimensi dan model dari bedengan atau chamber ini pun beraneka ragam yang disesuaikan untuk tujuan penelitian ataupun komersial. Berbagai dimensi berbeda yang umum digunakan merupakan alasan penelitian ini dilakukan. Hasil yang diharapkan adalah dapat diketahui dan disimulasikan perpindahan panas yang terjadi pada chamber aeroponik sehingga pengaruh suhu dan panas dari larutan nutrisi serta lingkungan luar chamber dapat dikendalikan. Hal ini ditujukan untuk mengoptimalkan produktivitas tanaman. Selain itu, efektivitas dimensi chamber dapat diketahui dengan persebaran suhu dan panas yang terjadi sehingga kualitas dan kuantitas tanaman meningkat.

Untuk menganalisis sebaran suhu dan pindah panas dilakukan dengan pendekatan model komputasi dinamika fluida atau computational fluid dynamics (CFD). Menurut Sun (2007), penggunaan CFD dapat memudahkan pemahaman fenomena fisik sistem aliran secara detail dan dapat digunakan untuk memprediksi perubahan dan sebaran konsentrasi, suhu, dan aliran.


(16)

2

B.

TUJUAN

1. Mempelajari perubahan suhu larutan nutrisi pada sistem aeroponik sebagai akibat dari perubahan suhu udara dan radiasi matahari.

2. Mempelajari perpindahan panas pada chamber aeroponik sebagai akibat dari perubahan suhu chamber.

3. Melakukan simulasi sebaran suhu pada berbagai dimensi chamber aeroponik dengan menggunakan CFD.


(17)

3

II.

TINJAUAN PUSTAKA

A.

RUMAH TANAMAN

Rumah tanaman atau greenhouse di kawasan tropika basah berfungsi sebagai bangunan perlindungan tanaman baik pada budidaya tanaman dengan media tanam maupun dengan sistem hidroponik. Konsep umbrella effect cocok untuk rumah tanaman di kawasan iklim seperti Indonesia. Rumah tanaman lebih ditujukan untuk melindungi tanaman dari hujan, angin, dan hama. Selain itu, rumah tanaman dibangun untuk mengurangi intensitas radiasi matahari yang berlebih, mengurangi penguapan air dari daun dan media, serta memudahkan perawatan tanaman. Dengan demikian, rancangan konstruksi rumah tanaman harus disesuaikan dengan fungsi diatas.

Rancangan rumah tanaman dengan konsep umbrella effect untuk daerah beriklim tropika basah telah dikembangkan sebagai adapted greenhouse. Adaptasi tersebut menjadi tiga jenis rumah tanaman yang kemudian umum digunakan, yaitu semi monitor, modified standard peak, dan modified arch. Masing-masing tipe rumah tanaman tersebut dilengkapi dengan bukaan ventilasi pada bubungan, seperti terlihat pada Gambar 1 (Suhardiyanto 2009).

Gambar 1. Rumah tanaman tipe modified standard peak

Rumah tanaman dapat menyebabkan peristiwa greenhouse effect atau efek rumah kaca, yaitu radiasi matahari gelombang pendek yang berenergi tinggi masuk ke dalam rumah tanaman kemudian diubah menjadi gelombang panjang. Karena sudah kehilangan energi, gelombang tersebut sudah tidak mampu menembus lapisan bahan penutup rumah tanaman sehingga terperangkap dan menyebabkan kenaikan suhu udara di dalam rumah tanaman. Suhu tinggi di dalam rumah tanaman akan memanaskan benda-benda yang ada didalamnya melalui proses perambatan panas secara konveksi, konduksi, maupun radiasi. Peristiwa tersebut dapat dilihat pada Gambar 2. Oleh karena itu, faktor suhu lingkungan rumah tanaman merupakan parameter kritis dalam pengendalian lingkungan fisik tanaman.

Menurut Suhardiyanto (2009), penggunaan greenhouse memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman. Rumah tanaman meminimalisasi pengaruh buruk lingkungan


(18)

4 luar sehingga pengetahuan prinsip dasar perencanaan greenhouse membantu memanipulasi kondisi yang tidak menguntungkan agar sesuai dengan pertumbuhan tanaman.

Gambar 2. Skema perpindahan panas yang terjadi di dalam rumah tanaman

B.

AEROPONIK

Aeroponik merupakan salah satu teknologi hidroponik modifikasi terbaru. Umumnya dimanfaatkan untuk tanaman sayuran daun yang berumur pendek dan mempunyai nilai ekonomis tinggi. Sistem aeroponik merupakan sistem penanaman yang efisien dari segi penggunaan air untuk nutrisi tanaman. Untuk menghasilkan produk dengan kualitas tinggi perlu diperhatikan faktor lingkungan yang mempengaruhi tanaman, antara lain suhu, cahaya, kelembaban, media tanam, dan unsur hara yang terkandung dalam larutan nutrisi yang diberikan (Zulaedah 2005).

Aeroponik berasal dari kata aero yang berarti udara dan ponus yang berarti daya. Dengan demikian, aeroponik berarti memberdayakan udara. Prinsip kerja aeroponik adalah akar terurai di rongga udara di bawah papan styrofoam dan terus menerus disemprot dengan larutan nutrisi dalam bentuk kabut. Selain itu, akar tanaman pada sistem aeroponik dapat diberi kabut secara berkala. Butiran halus larutan nutrisi yang melekat di akar akan diserap dan ditransfer ke atas, kemudian digunakan untuk pertumbuhan tanaman. Sebagai media tanam digunakan styrofoam yang diberi lubang tanam, tergantung dari konfigurasi tata letak lubang.

Hipokotil anak semai, yaitu bagian antara akar dan daun dikotil, dibungkus dengan busa atau rockwool dan ditancapkan ke dalam lubang tanam. Busa pembungkus hipokotil anak semai menjamin anak semai tetap segar karena sebelumnya dibasahi dan mendapat kabut butiran larutan nutrisi secara kontinyu atau bertahap sehingga tanaman cepat tumbuh besar. Akan lebih baik menggunakan rockwool karena sifatnya yang kuat menahan air atau larutan nutrisi dan rongga udara tetap banyak meskipun terlihat jenuh air. Namun, rockwool memiliki kelemahan yaitu harganya yang relatif mahal (Karsono et al. 2002).

Chamber aeroponik

Radiasi gelombang pendek

Radiasi gelombang panjang (terperangkap)

Konveksi

Konveksi dan konduksi


(19)

5 Akar yang menggantung bebas diselimuti kabut larutan nutrisi yang disemprotkan dari beberapa nozzle yang terletak ± 30 cm di bawah styrofoam. Pompa bertenaga besar mengalirkan larutan nutrisi dari bak penampung, melalui pipa paralon, kemudian dialirkan ke dalam bedengan (chamber) instalasi aeroponik. Di dalam chamber, diletakkan pipa lateral jenis PE yang dipasangi beberapa nozzle dengan jarak tertentu, seperti terlihat pada Gambar 3.

Selain digunakan untuk mengatasi lahan yang sempit dan efisiensi pemakaian larutan nutrisi, kelebihan budidaya secara aeroponik adalah oksigenasi dari tiap butiran kabut halus larutan hara yang sampai ke akar. Selama perjalanan dari lubang nozzle sampai ke akar, butiran akan menambat oksigen dari udara sehingga kadar oksigen terlarut dalam butiran meningkat. Dengan demikian, proses respirasi pada akar dapat berlangsung lancar dan menghasilkan banyak energi. Selain itu, dengan pengelolaan yang terampil, produksi dengan sistem aeroponik dapat memenuhi kualitas, kuantitas, dan kontinuitas (Laelasari 2004).

Gambar 3. Sistem aeroponik (Hidayat 2011)

C.

SUHU DAN KELEMBABAN

Suhu merupakan gambaran umum keadaan energi yang dikandung suatu benda. Namun demikian, tidak semua bentuk energi yang dikandung suatu benda dapat diwakili oleh suhu. Di atmosfer, peningkatan panas laten akibat penguapan tidak menyebabkan kenaikan suhu udara. Penguapan justru menurunkan suhu udara karena proporsi panas terasa yang menyebabkan kenaikan suhu udara menjadi berkurang. Panas adalah salah satu bentuk energi yang dikandung oleh suatu benda, sedangkan suhu mencerminkan energi kinetik rata-rata dari gerakan molekul-molekul. Beberapa karakteristik fisika seperti panas jenis dan kapasitas panas dari suatu benda akan menentukan laju dari benda tersebut dalam menyimpan panas (pemanasan) atau melepaskan panas (pendinginan) (Handoko dan Impron 2008).

Menurut Atmaja (2009), suhu lingkungan berpengaruh terhadap proses fisik dan kimiawi tanaman sehingga setiap tanaman mempunyai rentang suhu udara yang menjadi syarat tumbuhnya. Suhu udara yang terlalu berlebihan akan merusak tanaman, misalnya jika suhu terlalu tinggi akan mematikan tanaman, sedangkan jika suhu terlalu rendah akan membekukan tanaman. Lingkungan pertumbuhan akar yaitu suhu larutan nutrisi sangat mempengaruhi pertumbuhan akar dan proses penyerapan unsur hara oleh akar tanaman. Berdasarkan penelitian, suhu optimum untuk daerah perakaran adalah antara 20oC-23oC.

Suhu optimum adalah batasan suhu yang dapat membuat pertumbuhan tanaman berjalan maksimum. Di bawah suhu optimum merupakan suhu minimum sedangkan suhu maksimum berada di atas suhu optimum. Suhu minimum, optimum, dan maksimum mempunyai slang (jarak) tertentu yang disebut suhu kardinal. Jika tanaman tidak stress air, suhu daun mengikuti suhu udara, suhu akar akan


(20)

6 mengikuti suhu tanah atau suhu larutan nutrisi pada sistem hidroponik (Jumin 2008). Tabel berikut merupakan suhu kardinal beberapa tanaman.

Tabel 1. Suhu kardinal beberapa tanaman

Tanaman Suhu (

o C)

Minimum Optimum Maksimum

Tomat 20 25-35 35-40

Bayam 1-2 10 20-30

Cabai 18 21-29.5 35

Krisan 17 20-26 30

Sumber: Kamil (1982) dalam Jumin (2008)

Menurut Jumin (2008), panas mengakibatkan meningkatnya energi kinetik dari molekul-molekul tanaman, yang membuat laju reaksi meningkat. Laju reaksi akan meningkat dua kali lipat jika suhu naik setiap 10oC. Hal tersebut merupakan pernyataan hukum Vant Hoff. Hukum ini yang optimum berlaku pada jarak suhu 20oC-30oC dan 5oC-25oC khusus untuk fotosintesis. Suhu vital suatu tanaman adalah titik suhu yang menunjukkan tidak terjadinya proses fisiologis tanaman, misalnya untuk tanaman kentang 7.2oC, jagung 10oC, kapas 16.6oC.

Kelembaban udara menggambarkan kandungan uap air di udara yang dapat dinyatakan sebagai kelembaban mutlak, kelembaban relatif, maupun defisit tekanan uap. Kelembaban relatif membandingkan antara kandungan atau tekanan uap air aktual dengan keadaan jenuhnya atau pada kapasitas udara untuk menampung uap air. Kapasitas udara tersebut ditentukan oleh suhu udara. Karena kapasitas udara untuk menampung uap air semakin tinggi dengan naiknya suhu udara, maka pada tekanan uap air aktual yang relatif tetap antara siang dan malam hari mengakibatkan RH akan lebih rendah pada siang hari dan lebih tinggi pada malam hari (Handoko dan Impron 2008).

D.

PRINSIP-PRINSIP PINDAH PANAS

Menurut Kreith and Bohn (2001), peristiwa pindah panas terjadi karena energi berpindah dari satu daerah ke daerah lainnya yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Pindah panas terjadi secara konduksi, radiasi, dan konveksi.

a.

Konduksi

Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah di dalam satu medium (padat, cair, gas) atau antara medium-medium yang bersinggungan secara langsung. Besaran perpindahan panas konduksi tergantung dari nilai konduktivitas panas, yaitu sifat fisik dari medium. (Kreith and Bohn 2001).

Besar laju aliran panas dengan cara konduksi, dinyatakan dalam:

(1) dimana: qk = laju perpindahan panas (W)

k = konduktivitas termal bahan (W/mK)

A = luas penampang benda yang tegak lurus terhadap aliran panas (m2) dT = gradient temperature (K)


(21)

7 Tanda minus dari persamaan diatas adalah akibat dari hukum kedua termodinamika, yang arah aliran panasnya berasal dari suhu tinggi ke suhu rendah.

b.

Konveksi

Menurut Zemansky and Dittman (1986), arus konveksi merupakan arus cairan atau gas yang menyerap kalor pada suatu tempat, kemudian bergerak ke tempat lain dan bercampur dengan bagian fluida yang lebih dingin serta memberikan kalornya. Pengklasifikasian perpindahan panas berdasarkan cara menggerakkan alirannya dibedakan menjadi dua, yaitu konveksi bebas (alami) dan konveksi paksa. Konveksi alamiah merupakan gerak fluida yang disebabkan perbedaan kerapatan yang menyertai perbedaan suhu, sedangkan konveksi paksa adalah fluida yang dipaksa bergerak oleh pompa atau kipas.

Laju perpindahan panas konveksi, dinyatakan dalam:

(2)

dimana: qc = laju perpindahan panas (W)

hc = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K) T = suhu permukaan (K)

Tf = suhu fluida (K)

c.

Radiasi

Radiasi termal adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah jika benda tersebut terpisah di dalam ruang, dimana perpindahan energi terjadi melalui bahan dan kalor dapat berpindah melalui ruang-ruang hampa (Holman 1997).

Laju aliran panas suatu benda dengan radiasi, dinyatakan dalam:

(3)

dimana: qr = laju perpindahan panas (W)

= konstanta Stefan Boltzman 5.667x10-8 W/m2K4 = emisivitas bahan (hitam=1)

E.

DASAR-DASAR SIMULASI

Menurut Syamsa (2003) dalam Haryanto (2010), simulasi komputer adalah usaha mengeksplorasi model-model matematika dari suatu proses atau fenomena fisik dengan menggunakan komputer dalam rangka memberikan gambaran situasi nyata dengan sebagian besar rinciannya. Simulasi proses adalah penggunaan model matematika untuk menggambarkan secara realistik perilaku nyata dari sistem dengan mengukur tanggap dinamik variabel-variabel proses yang dipantau, misalnya suhu, tekanan, dan komposisi bahan. Dengan memanipulasi atau bekerja dengan model, diharapkan:

1. Dapat meramalkan hasil atau keluaran

2. Lebih memahami model fisik dan matematika dari fenomena dan proses 3. Bereksperimen dengan model

4. Melakukan pengujian dengan model


(22)

8 Secara garis besar, simulasi proses dapat dikategorikan menjadi dua kategori berdasarkan kondisinya, yaitu simulasi pada keadaan tunak dan simulasi dalam keadaan dinamis (Syamsa 2003 dalam Haryanto 2010). Simulasi keadaan tunak biasanya terdiri dari sejumlah persamaan aljabar yang diselesaikan secara iterasi, misalnya untuk menghitung kalkulasi panas dan keseimbangan dari suatu proses dibawah kondisi keadaan tunak yang berubah-ubah. Program simulasi keadaan tunak umum digunakan dalam proses industri seperti pengukuran boiler dan peralatan turbin untuk laju panas tertentu.

Simulasi keadaan dinamis tidak hanya memperhatikan kalkulasi panas dan keseimbangan bahan dalam keadaan tunak, tetapi juga kondisi transien dari perubahan proses. Simulasi dilakukan dengan menyelesaikan persamaan-persamaan diferensial nonlinier berjumlah besar dalam waktu nyata, untuk menggambarkan keseimbangan dinamik bahan dan energi dari proses yang disimulasikan. Laju akumulasi massa dan energi dihitung secara kontinyu dan diintegrasikan sepanjang interval waktu yang relatif kecil, yaitu untuk menghasilkan proses tiruan dari tanggap dinamik yang realistik seperti suhu, tekanan, dan komposisi bahan (Haryanto 2010).

F.

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

CFD merupakan teknologi komputasi yang digunakan sebagai alat untuk menganalisis fenomena dinamika fluida seperti aliran fluida, perpindahan panas dan massa, perubahan fase, reaksi kimia, pergerakan mekanis, serta interaksi fluida dan solid (Norton et al. 2007). CFD terbentuk berdasarkan algoritma numerik dari permasalahan fluida yang terjadi sehingga dibutuhkan solusi permasalahan berdasarkan parameter-parameter yang mempengaruhi sifat fluida tersebut. Di dalam CFD, terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan dalam melakukan proses, yaitu pra pemrosesan (pre-processor), pencarian solusi (solver), dan pasca pemrosesan (post-processor) (Versteeg dan Malalasekera 1995).

a.

Pra Pemrosesan

Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995), pra pemrosesan merupakan tahapan dimana dilakukan pendefinisian masalah. Adapun langkah-langkah yang dilakukan, sebagai berikut:

1. Membentuk geometri (computational domain) dua dimensi atau tiga dimensi 2. Membentuk geometri menjadi sejumlah bagian yang lebih kecil (grid). Grid

merupakan bagian yang akan dicari solusinya karena tingkat keakuratan hasil CFD didasarkan pada jumlah grid yang dibentuk

3. Mendefinisikan fenomena-fenomena yang terjadi (fisik dan kimia) karena dibutuhkan dalam pemodelan

4. Mendefinisikan karakteristik fluida

5. Mendefinisikan kondisi batas (boundary condition) pada model geometri

b.

Pencarian Solusi

Pencarian solusi merupakan tahapan dimana seluruh kondisi pra pemrosesan telah terpenuhi. Terdapat tiga solusi teknik numerik dalam mencari solusi CFD, yaitu difference, finite element, dan spectral method (Versteeg dan Malalasekera 1995). Adapun tahapan yang dilakukan dalam mencari solusi pada CFD, meliputi:

1. Memperkirakan variabel aliran yang tidak diketahui menggunakan fungsi sederhana 2. Diskritasi hasil perkiraan tersebut dengan mensubstitusi ke dalam persamaan aliran


(23)

9 3. Membuat solusi dengan persamaan aljabar

c.

Pasca Pemrosesan

Tahapan pasca pemrosesan merupakan tahapan terakhir dalam proses CFD yang bertujuan untuk menyajikan hasil dari analisis fluida. Hasil analisis didasarkan pada visualisasi warna yang meliputi:

1. Hasil dari geometri dan grid yang telah dibentuk 2. Plot berdasarkan vektor

3. Plot berdasarkan kontur

4. Plot berdasarkan permukaan (dua dimensi atau tiga dimensi)

Visualisasi solusi ini bertujuan untuk mempermudah pemahaman solusi yang dihasilkan dari CFD. Dalam proses ini dilengkapi dengan melakukan animasi dari solusi yang didapat (Wahhaab 2010).


(24)

10

III.

METODOLOGI

A.

WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan di dalam rumah tanaman (greenhouse) yang berada di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pelaksanaan penelitian dilakukan pada bulan Maret 2012 hingga Mei 2012. Kemudian dilakukan simulasi CFD dengan software SolidWorks yang dilakukan di Laboratorium Lingkungan Bangunan Pertanian, Gedung Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, pada bulan Mei 2012 hingga Juli 2012.

B.

ALAT DAN BAHAN PENELITIAN

a. Rumah Tanaman (greenhouse)

Rumah tanaman berfungsi untuk melindungi tanaman dari faktor-faktor lingkungan yang tidak menguntungkan. Rumah tanaman yang akan digunakan adalah tipe modified standard peak berukuran 6 m x 12 m yang dibangun membujur ke arah utara-selatan dengan bahan penutup plastik PVC transparan 0.02 mm dan dinding terbuat dari kassa kawat dengan lubang 1 mm2. Lantai rumah tanaman dilapisi semen dengan pondasi sedalam 50 cm.

b. Chamber Aeroponik

Merupakan ruangan untuk akar tanaman tumbuh menggantung dan mendapatkan larutan nutrisi dalam bentuk kabut. Chamber yang digunakan mempunyai ukuran 1.5 m x 1 m x 1 m. Bahan pembuat chamber adalah papan multiplek yang dilapisi styrofoam dan plastik hitam.

c. Pipa Lateral dan Nozzle

Untuk mengalirkan larutan nutrisi dari bak penampung menuju daerah tumbuh tanaman digunakan pipa lateral yang terbuat dari Polyethylene diameter 13 mm. Pada pipa lateral tersebut dipasang tiga buah nozzle dengan diameter 2 mm untuk menyemprotkan larutan nutrisi ke akar tanaman.

Gambar 4. Chamber aeroponik dan sistem irigasi yang digunakan

U


(25)

11 d. Bak Penampung

Bak penampung merupakan tangki larutan nutrisi yang siap untuk disalurkan ke daerah tumbuh tanaman. Bak penampung juga berfungsi sebagai wadah untuk mencampur air dengan nutrisi tanaman.

e. Pompa Air

Pompa air berfungsi sebagai sumber tenaga bagi larutan nutrisi untuk dapat mengalir ke pipa menuju tanaman. Selain itu, pompa difungsikan untuk menekan air melewati lubang kecil dari nozzle agar timbul semprotan air. Pompa yang digunakan adalah pompa air yang memiliki daya besar karena beban yang dibutuhkan pada sistem ini lebih besar.

f. Hybrid Recorder

Recorder digunakan untuk mencatat suhu pada titik-titik pengukuran tertentu yang dihubungkan dengan termokopel.

Gambar 5. Bak penampung larutan nutrisi dan Hybrid Recorder g. Termokopel

Merupakan sensor untuk mengukur suhu pada titik-titik pengukuran yang telah ditentukan. Tipe termokopel yang digunakan adalah cover constanta (CC).

h. Weather Station

Merupakan alat untuk mengetahui dan mengukur parameter lingkungan makro atau kondisi cuaca di suatu wilayah tertentu.


(26)

12 i. Software “SolidWorks”

Software ini digunakan untuk membangun desain geometri dan melakukan simulasi aliran fluida.

j. Personal Computer (PC)

PC digunakan sebagai sarana untuk proses simulasi menggunakan program CFD. k. Peralatan Pendukung

Peralatan lain yang digunakan adalah termometer air raksa, meteran, wadah larutan stok. Bahan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah nutrisi, air, dan lain-lain.

C.

METODE PENELITIAN

a.

Persiapan Penelitian

Persiapan penelitian meliputi kegiatan pembersihan rumah tanaman, pembuatan instalasi aeroponik, persiapan peralatan pengukuran, dan penyediaan bahan yang digunakan. Sebelum dilakukan pengukuran, dilaksanakan pengkondisian sistem agar berada pada kondisi yang sebenarnya.

b.

Perlakuan Penelitian

Chamber aeroponik diletakkan di dalam rumah tanaman, kemudian dipasang satu unit irigasi untuk pemberian nutrisi bagi tanaman. Media tanam yang digunakan adalah styrofoam dan rockwool untuk menyangga tanaman yang diletakkan di atas chamber. Lingkungan luar rumah tanaman dipasang weather station untuk mengetahui parameter lingkungan yang akan mempengaruhi kondisi rumah tanaman. Lingkungan di dalam rumah tanaman dan instalasi aeroponik dipasang termokopel dan peralatan lainnya untuk mengetahui parameter lingkungan makro dan mikro yang akan berpengaruh pada tanaman yang akan ditanam.

c.

Pengamatan dan Pengukuran

Pengamatan dilakukan setiap hari selama proses pengambilan data berlangsung selama enam hari pada pagi sampai sore hari. Parameter yang diukur meliputi suhu dan kelembaban di chamber aeroponik, suhu di pipa lateral, tekanan nutrisi yang keluar dari nozzle, kecepatan aliran nutrisi di pipa lateral, suhu di tangki larutan nutrisi, serta suhu, kecepatan angin, dan radiasi matahari di lingkungan rumah tanaman.

Untuk mengukur kelembaban, dipasang termokopel basah di dalam chamber, sedangkan untuk pengukuran suhu, dipasang termokopel pada chamber seperti pada Lampiran 1, serta untuk pengukuran parameter lingkungan di dalam rumah tanaman dipasang weather station dan peralatan lainnya.

d.

Pengembangan Model Pindah Panas

Asumsi yang digunakan pada penelitian ini adalah proses pindah panas yang terjadi adalah konveksi dan konduksi, sistem dalam keadaan steady, keberadaan tanaman tidak berpengaruh pada proses pindah panas, suhu larutan nutrisi yang tersemprot keluar dari nozzle sama dengan suhu larutan nutrisi di dalam bak penampung, suhu udara di dalam rumah


(27)

13 tanaman dianggap seragam di semua titik, dan kecepatan angin di dalam rumah tanaman seragam.

Untuk mengetahui sebaran suhu yang terjadi di dalam chamber, dapat dievaluasi menggunakan persamaan-persamaan pindah panas yang sesuai dengan kondisi sebenarnya. Persamaan sederhana yang mengacu pada hukum pertama termodinamika pada sistem chamber aeroponik dapat dituliskan sebagai berikut:

(4)

a) Kesetimbangan panas pada pipa lateral dalam chamber

(5) b) Kesetimbangan panas pada chamber aeroponik

(6) c) Kesetimbangan total

(7) (8)

Keterangan:

: Pindah panas yang masuk ke sistem (W) : Pindah panas yang keluar dari sistem (W) : Pindah panas yang tersimpan di sistem (W) m : Massa air (kg)

Cp : Panas jenis air (kJ/kg.oC) : Perubahan suhu di sistem (oC)

: Pindah panas di pipa lateral dalam chamber (W) : Pindah panas yang melalui styrofoam (W) : Pindah panas yang melalui multiplek (W)

U : Koefisien perpindahan kalor menyeluruh/overall (W/m2.oC) A : Luas permukaan sistem (m2)

: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi atas chamber (W) : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi bawah chamber (W) : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi kanan chamber (W) : Pindah panas udara luar ke udara dalam melalui sisi kiri chamber (W)

: Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi depan chamber (W) : Pindah panas dari udara luar ke udara dalam melalui sisi belakang chamber

(W)

Pindah panas pada chamber aeroponik terjadi secara konveksi dan konduksi yang melalui dua lapisan, yaitu multiplek dan styrofoam. Untuk mendapatkan nilai pindah panas setiap sisi chamber digunakan persamaan konveksi udara rumah tanaman yang melalui multiplek kemudian konveksi udara dalam chamber, serta konduksi antara multiplek dan styrofoam. Sifat-sifat udara dan air yang diperlukan untuk melengkapi nilai persamaan diatas dapat dilihat pada Lampiran 2.


(28)

14 Keterangan:

: Bahan multiplek : Bahan styrofoam Koefisien konveksi antara chamber dan udara diperoleh dengan persamaan:

(9)

Bilangan Nusselt (Nu) dapat diperoleh dengan mengacu pada bentuk dinding (vertikal atau horizontal) dan nilai GrPr (bilangan Grashof-Prandtl) dari setiap sisi chamber. Secara umum, persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut:

(10) dengan nilai GrPr menggunakan persamaan sebagai berikut:

(11)

Proses pindah panas pada chamber aeroponik terjadi secara vertikal (pada sisi atas dan bawah) dan secara horizontal (pada sisi kanan, kiri, depan, dan belakang) yang dapat dilihat pada Gambar 7. Persamaan dari setiap sisi chamber dapat dituliskan sebagai berikut:

a) Laju pindah panas secara vertikal

Sisi atas chamber: (12)

Sisi bawah chamber: (13)

b) Laju pindah panas secara horizontal

Sisi kanan, kiri, depan, dan belakang chamber aeroponik mempunyai lapisan dinding yang sama, yaitu multiplek dan styrofoam sehingga persamaan laju pindah panas secara horizontal sama dengan persamaan (13).


(29)

15 Pindah panas pada pipa lateral di dalam chamber aeroponik terjadi secara konveksi. Persamaan konveksi paksa digunakan untuk mengetahui aliran konveksi air di dalam pipa, serta konveksi alami digunakan untuk mendapatkan koefisien konveksi udara yang melalui dinding pipa lateral. Nilai bilangan Reynold diperoleh dengan menggunakan sifat-sifat air sehingga persamaan selanjutnya dapat ditentukan dengan mengacu nilai Re dari aliran pipa. Besarnya bilangan Nusselt untuk konveksi paksa di dalam pipa dapat diketahui dari persamaan-persamaan pada Tabel 2 sebagai berikut:

Tabel 2. Ikhtisar persamaan-persamaan yang berguna bagi perpindahan panas konveksi paksa di dalam pipa dan saluran

Sistem Persamaan

Pipa panjang , fluida, aliran laminar

Pipa pendek, fluida, aliran laminar

Pipa panjang, fluida, aliran turbulen Pipa pendek, fluida, aliran turbulen

Sumber : Kreith (1986)

Besarnya koefisien konveksi antara air dan dinding pipa lateral dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut:

(14) Koefisien konveksi udara yang melalui pipa dapat diperoleh menggunakan persamaan (10) sampai persamaan (14), sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas menyeluruh/overall dari pipa menggunakan persamaan:

(15)

Keterangan:

h : Koefisien konveksi (W/m2.oC) k : Konduktivitas termal (W/m.oC) Lc : Luas terbasahkan (m)

Nu : Bilangan Nusselt C : Konstanta

GrPr : Bilangan Grashof-Prandtl g : Percepatan gravitasi (m/s2)

: Bilangan biot

: Viskositas kinematik (m2/s)

: Koefisien konveksi udara luar chamber (W/m2.oC) : Tebal styrofoam (m)

: Konduktifitas termal styrofoam (W/m.oC)


(30)

16 : Tebal multiplek (m)

: Konduktivitas termal multiplek (W/m.oC) Re : Bilangan Reynold

Dh : Diameter hidrolik (m) L : Panjang pipa (m)

: Luas pipa bagian luar (m2) : Luas pipa bagian dalam (m2) : Koefisien konveksi air (W/m2.oC) : Jari-jari pipa bagian luar (m) : Jari-jari pipa bagian dalam (m)

Berdasarkan kesetimbangan panas yang sudah diuraikan diatas, akan dapat diketahui nilai penyerapan kalor oleh larutan nutrisi pada pipa lateral dan chamber aeroponik.

e.

Simulasi Sebaran Suhu dengan CFD

Simulasi sebaran suhu udara chamber aeroponik dengan CFD dilakukan setelah semua data hasil pengukuran di lapangan dihitung. Setelah semua data telah selesai dihitung, model untuk simulasi dibuat berdasarkan data yang diperoleh dari lapangan. Data yang digunakan adalah pada tanggal 1 Mei 2012 karena merupakan hari cerah dan tidak ada hujan saat pengambilan data. Pembuatan geometri chamber dan simulasi distribusi suhu chamber dilakukan menggunakan software SolidWorks 2011. Asumsi yang digunakan saat simulasi adalah sebagai berikut:

a) Sistem chamber dalam keadaan tertutup b) Udara bergerak dalam keadaan steady

c) Suhu udara di dalam lingkungan rumah tanaman dianggap seragam saat simulasi d) Suhu udara di luar chamber sama dengan suhu udara di dalam rumah tanaman e) Lapisan plastik hitam tidak didefinisikan sebagai bahan pelapis chamber

Simulasi pada sebaran suhu di chamber aeroponik dilakukan pada dua kondisi waktu dan empat dimensi chamber yang berbeda, yaitu:

a) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 1.5 meter, lebar 1 meter, tinggi 1 meter.

b) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 5 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter.

c) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 8 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter.

d) Kondisi cuaca cerah di sekitar rumah tanaman pada pukul 08:00 dan pukul 13:00 dengan ukuran panjang chamber 12 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter. Langkah-langkah proses simulasi sebaran suhu di chamber aeroponik menggunakan program CFD SolidWorks, yaitu pada Gambar 8, sebagai berikut:


(31)

17 Gambar 8. Skema tahapan simulasi menggunakan CFD

1) Pembuatan geometri

Ukuran model chamber yang dibuat adalah panjang 1.5 meter, lebar 1 meter, dan tinggi 1 meter. Ukuran di atas merupakan ukuran sebenarnya chamber aeroponik saat pengukuran dan pengambilan data. Berikut ditampilkan geometri chamber tersebut pada Gambar 9.


(32)

18 2) Pendefinisian material chamber

Material yang digunakan didefinisikan sebagai multiplek sebagai lapisan terluar chamber, styrofoam sebagai lapisan kedua, dan Polyethylene low density sebagai bahan pipa lateral. Sifat fisik bahan-bahan tersebut, tertera pada Tabel 3, diperlukan dalam simulasi sehingga dimasukkan ke dalam engineering database.

Tabel 3. Sifat fisik material chamber aeroponik

Sifat Fisik Bahan Satuan Multiplek1 Styrofoam1 PE Low Density2

Kerapatan kg/m3 513 70 917

Panas Jenis J/kg.C 1380 1045 1842

Konduktivitas Panas W/m.C 0.115 0.026 0.322

Tipe Konduktivitas - Isotropik Isotropik Isotropik

Melting Temperature C 573 348 573

Sumber: 1 Cengel (2001)

2 Engineering Database SolidWorks (2011)

3) Melakukan General Setting

Pada bagian ini diatur konfigurasi model dengan parameter lingkungan yang sesuai dengan data penelitian maupun asumsi-asumsi yang telah dibuat. Tampilan pada Gambar 10 merupakan awal dari proses pengaturan simulasi. Pada unit system, dapat dilihat pada Gambar 11, diatur satuan-satuan yang akan ditampilkan pada output simulasi.


(33)

19 Gambar 11. Tampilan Unit System pada SolidWorks

Analisis aliran pada model dipilih internal karena akan melihat bagaimana sebaran suhu di dalam geometri, dalam hal ini adalah chamber aeroponik. Berdasarkan proses pindah panas yang terjadi antara lingkungan rumah tanaman dengan chamber, proses pindah panas secara konduksi pada material solid dapat diperhitungkan. Radiasi lingkungan seperti suhu udara di dalam rumah tanaman, radiasi matahari yang masuk dalam rumah tanaman, dan arah datang radiasi matahari dapat dimasukkan dalam tampilan ini pada Gambar 12.

Gambar 12. Tampilan Analysis Type SolidWorks

Fluida yang dianalisis adalah udara dan air yang terkompresi, sehingga diatur pada tampilan Default Fluid, seperti terlihat pada Gambar 13. Material padat yang dianalisis pun dapat ditentukan pada tampilan Default Solid pada Gambar 14 berdasarkan database engineering yang sudah dimasukkan sebelumnya. Kondisi termal dinding chamber dan kekasarannya dapat diatur pada tampilan Wall Condition pada Gambar 15.


(34)

20 Gambar 13. Tampilan Default Fluid SolidWorks

Gambar 14. Tampilan Default Solid SolidWorks


(35)

21 Sebagai kondisi awal dan kondisi batas, dimasukkan suhu udara dan tekanan udara pada setiap kondisi di tampilan Initial Conditions Gambar 16. Pada tampilan ini, dimasukkan pula nilai suhu dari parameter solid dan kelembabannya. Setelah itu, hasil dan resolusi geometri model akan ditampilkan pada Gambar 17. Langkah selanjutnya adalah mengoptimasi mesh yang dapat diatur jumlah sel per komponen koordinat model. Refining cells juga dapat dilakukan pada tampilan Initial Mesh pada Gambar 18.

Gambar 16. Tampilan Initial Conditions SolidWorks


(36)

22 Gambar 18. Tampilan Initial Mesh SolidWorks

4) Menentukan Computational Domain dan Fluid Subdomain

Domain dibuat untuk daerah batasan luar dari model yang akan dianalisis. Fluid subdomain dipilih karena model simulasi ini mempunyai dua fluida yang berbeda. Udara berada di luar dan dalam chamber, sedangkan air terkompresi berada di dalam pipa lateral. Pada tampilan Fluid subdomain, dapat dimasukkan parameter termal dari fluida yang mengalir. Tampilan keduanya dapat dilihat pada Gambar 19 dan Gambar 20.


(37)

23 Gambar 20. Tampilan Fluid Subdomain SolidWorks

5) Menentukan kondisi batas

Boundary conditions dari chamber adalah lubang pengeluaran yang berada di bawah chamber. Lubang ini diberikan batasan sebagai Real Wall agar chamber tetap berada pada kondisi tertutup rapat.

6) Menentukan Goals

Pada langkah ini, hasil akhir yang dipilih adalah global goal: maximum temperature of fluid, average temperature of fluid, dan minimum temperature of fluid. 7) Menjalankan Run

Running dapat berjalan ketika langkah-langkah diatas sudah terpenuhi. Tampilan Run dapat dilihat pada Gambar 21. Sebelum melakukan running, dapat dilakukan pula Calculation Control Option (Gambar 22) untuk menentukan kondisi konvergensi hasil yang didapat dari simulasi.


(38)

24 Gambar 22. Tampilan Calculation Control Option SolidWorks

8) Post processor

Tahap ini merupakan tampilan yang akan disajikan program CFD setelah proses running selesai. Tampilan ini dapat berupa gambar kontur, vektor, arah aliran, animasi, hasil angka dari perhitungan program, mesh, dan lain-lain. Tampilan tersebut merupakan hasil akhir (goals) dari yang sudah ditentukan sebelumnya.

f.

Validasi Hasil Simulasi

Validasi model dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran di lapangan dengan hasil simulasi CFD SolidWorks. Keakuratan hasil pengukuran dan hasil simulasi dinyatakan dengan persentasi error. Persamaan error yang digunakan adalah sebagai berikut:

(16)

Pengujian keakuratan hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dapat pula dinyatakan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara suhu hasil pengukuran (x) dengan suhu hasil simulasi (y). Persamaan yang akan terjadi secara umum adalah sebagai berikut:

(17)

dimana (a) merupakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan (b) menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi. Prediksi dari hasil simulasi dikatakan baik jika persamaan regresi memiliki intersep mendekati nol dan gradiennya mendekati satu.


(39)

25

IV.

HASIL DAN PEMBAHASAN

A.

RADIASI MATAHARI DAN SUHU UDARA DI DALAM RUMAH

TANAMAN

Radiasi matahari mempunyai nilai fluktuatif setiap waktu, tetapi akan meningkat dan mencapai nilai maksimumnya pada siang hari. Radiasi matahari di luar rumah tanaman lebih tinggi nilainya dibandingkan dengan yang masuk ke dalam rumah tanaman. Hal ini karena penggunaan bahan penutup rumah tanaman yang mampu menyerap, memantulkan, serta meneruskan radiasi matahari yang masuk. Setiap bahan penutup rumah tanaman mempunyai daya serap yang berbeda terhadap gelombang radiasi maupun gelombang lainnya yang akan masuk. Radiasi matahari tertinggi di luar rumah tanaman yang tercatat adalah 1062 W/m2 yang terjadi pada pukul 11:00, sedangkan radiasi matahari tertinggi yang masuk ke dalam rumah tanaman terjadi pada pukul 12:40 dan 13:10 tercatat 933 W/m2. Saat radiasi matahari tinggi di lingkungan dalam rumah tanaman, radiasi matahari di lingkungan luar rumah tanaman pun cukup tinggi, yaitu sebesar 1009 W/m2 pada pukul 12:40 dan 1012 W/m2 pada pukul 13:10. Saat radiasi di lingkungan luar rumah tanaman tinggi, radiasi matahari di lingkungan dalam rumah tanaman sebesar 397 W/m2. Grafik dibawah merupakan radiasi matahari yang terukur di lingkungan dalam dan luar rumah tanaman pada tanggal 1 Mei 2012 dalam kondisi hari cerah menggunakan alat Weather Station.

Gambar 23. Grafik perubahan radiasi matahari lingkungan rumah tanaman pada tanggal 1 Mei 2012 Suhu udara lingkungan rumah tanaman pun memiliki perbedaan antara lingkungan dalam dan lingkungan luarnya. Selisih suhu udara terbesar yang tercatat adalah 3.8oC. Pada pagi hari, suhu udara di dalam lebih rendah dibandingkan dengan suhu udara di lingkungan luar. Kemudian suhu udara di dalam rumah tanaman akan meningkat seiring makin banyaknya radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman. Gelombang pendek dari radiasi matahari mempunyai energi besar sehingga dapat melewati material penutup rumah tanaman. Gelombang pendek tersebut berubah menjadi gelombang panjang setelah masuk ke dalam rumah tanaman. Namun karena energinya semakin kecil,


(40)

26 gelombang panjang tersebut tidak dapat keluar sehingga memanaskan benda-benda di dalam rumah tanaman. Walaupun pada sore hari radiasi yang masuk sudah mulai kecil, namun gelombang panjang sebelumnya masih terperangkap sehingga suhu udara di dalam rumah tanaman masih tinggi. Suhu udara lingkungan luar rumah tanaman berkisar 23oC sampai 32.3oC, sedangkan suhu udara di dalam rumah tanaman 22.9oC sampai 35.5oC. Pada pukul 13:50, saat suhu udara di dalam rumah tanaman maksimum, radiasi matahari di dalam dan di luar rumah tanaman sudah mulai terjadi penurunan. Suhu maksimum tersebut disebabkan oleh gelombang panjang yang tidak dapat melewati penutup rumah tanaman sehingga menaikkan suhu udara di dalam rumah tanaman. Grafik perbedaan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman dapat dilihat pada Gambar 24.

Gambar 24. Grafik perubahan suhu udara lingkungan rumah tanaman pada tanggal 1 Mei 2012

B.

SUHU LARUTAN NUTRISI DAN SUHU DI DALAM

CHAMBER

Faktor lingkungan yang sangat berpengaruh terhadap perubahan suhu larutan nutrisi adalah suhu udara di dalam rumah tanaman (Gambar 24). Suhu larutan nutrisi tersebut berbanding lurus terhadap suhu lingkungan dalam rumah tanaman, namun peningkatan suhu larutan nutrisi lebih lambat dari suhu lingkungan dalam rumah tanaman. Saat suhu udara rumah tanaman mengalami kenaikan suhu akibat radiasi matahari yang masuk dan terperangkap, suhu larutan nutrisi pun mengalami kenaikan suhu. Larutan nutrisi memiliki kerapatan dan panas jenis yang lebih tinggi dibandingkan dengan udara sehingga dapat menyerap dan menyimpan panas lebih lama. Perbedaan yang terjadi antara suhu larutan nutrisi dengan suhu udara di dalam rumah tanaman yaitu sebesar 0.1oC sampai 5.2oC. Perbedaan suhu ini terjadi karena adanya faktor perbedaan fasa zat. Udara berupa gas sehingga jika terjadi perubahan pada lingkungan luar rumah tanaman, gas akan lebih cepat berubah dibandingkan dengan zat cair. Suhu larutan nutrisi di dalam bak penampung sekitar 18.5oC hingga 34.9oC. Grafik perubahan larutan nutrisi pada bak penampung dapat dilihat pada Gambar 25. Kemudian suhu larutan nutrisi akan berpengaruh terhadap pertumbuhan akar di dalam chamber aeroponik. Suhu chamber ini tidak boleh berada di kisaran yang tinggi maupun rendah karena akan mempengaruhi daya serap akar tanaman. Jika kondisi suhu di dalam chamber ekstrem, pertumbuhan dan perkembangan tanaman akan terganggu dan bisa sampai tanaman mati. Suhu larutan nutrisi yang menyemprot ke dalam chamber aeroponik mempengaruhi suhu di dalam chamber sampai 1.8oC.


(41)

27 Gambar 25. Grafik perubahan suhu larutan nutrisi pada tanggal 1 Mei 2012

Suhu di dalam chamber dipengaruhi oleh suhu larutan nutrisi yang tersemprot keluar dari nozzle dan suhu lingkungan di luar chamber yang terserap oleh bahan pelapis chamber dalam bentuk panas. Perubahan suhu udara di dalam chamber berbanding lurus dengan suhu larutan nutrisi (Gambar 25). Suhu udara di dalam rumah tanaman, pada Gambar 24, juga mempengaruhi suhu permukaan dinding luar chamber sehingga suhu dinding luar akan lebih panas. Panas tersebut akan terserap oleh bahan pelapis chamber aeroponik sehingga akan berpengaruh terhadap suhu udara di dalam chamber. Suhu di dalam chamber yang tercatat adalah sekitar 21.32oC sampai 35.62oC. Suhu maksimum di dalam chamber lebih tinggi dibandingkan dengan suhu maksimum larutan nutrisi dan suhu lingkungan di luar chamber karena chamber dalam keadaan tertutup rapat dan hanya ada satu lubang pengeluaran larutan nutrisi. Oleh karena itu, pergerakan suhu berjalan lambat dan panas akan terakumulasi di dalam chamber sehingga membuat suhu di dalam chamber meningkat. Grafik perubahan suhu udara pada chamber dapat dilihat pada Gambar 26.


(42)

28 RH di dalam chamber aeroponik yang tercatat pada pengukuran adalah antara 94.56% hingga 100%. Kelembaban chamber tersebut bernilai tinggi karena ruangan tumbuh akar tanaman ini disemprot larutan nutrisi selama kurang lebih 18 menit dan hanya berhenti menyemprot sekitar dua menit. Chamber akan terbasahkan oleh larutan nutrisi di seluruh sisinya dan larutan nutrisi yang tidak terserap oleh akar tanaman akan mengalir keluar ke dalam lubang pengeluaran chamber secara gravitasi. Grafik perubahan RH di dalam chamber dapat dilihat pada Gambar 26.

Suhu adalah salah satu faktor penting yang mempengaruhi pertumbuhan akar, khususnya dalam menyerap air dan ion-ion esensial. Suhu optimum untuk akar tergantung spesies tanaman. Menurut Goldworthy dan Fisher (1984), suhu optimum untuk pertumbuhan akar umumnya lebih rendah daripada suhu optimum untuk pertumbuhan pucuk. Kisaran suhu optimum dan suhu maksimum yang agak sempit menunjukkan bahwa pertumbuhan akar tidak teradaptasi baik terhadap suhu tanah (atau larutan nutrisi) tinggi, bahkan pada tanaman tropik. Pendinginan tanaman subtropis dan tropis sampai pada kisaran suhu 0-10oC cenderung menyebabkan penurunan aktivitas proses metabolisme dengan sangat cepat (terutama respirasi) dan dapat menyebabkan kerusakan yang membahayakan dan kematian di dalam beberapa jam atau hari (Larcher et.al. 1973 dalam Fitter and Hay 1981). Perbedaan suhu yang mempengaruhi perakaran dan pertumbuhan tanaman adalah tergantung dari suhu kardinal setiap varietas tanaman. Suhu optimum perakaran pada tanaman krisan adalah 20-25oC, pada selada adalah 19-24oC, sedangkan suhu di dalam chamber saat hari cerah mencapai 35oC. Terdapat beberapa tanaman yang dapat mentoleransi suhu sampai 35oC, namun pertumbuhan fisik tanaman tidak dapat sebaik pada kondisi pertumbuhan di suhu optimalnya. Jika suhu toleransi pertumbuhan tanaman kurang dari 35oC, tanaman tersebut tidak dapat bertahan sampai massa panennya. Pengaruh pendinginan tanaman di bawah suhu optimum adalah berkurangnya kecepatan pertumbuhan dan proses metabolisme, sedangkan pengaruh suhu tinggi adalah gangguan terhadap metabolisme sel karena denaturasi protein, produksi zat-zat beracun atau kerusakan membran.

Menurut Fitter dan Hay (1981), tidak mudah untuk menetapkan secara tepat hubungan antara proses-proses pada tanaman dan suhu lingkungan karena adanya variabilitas yang ekstrem dari suhu udara dan tanah (atau larutan nutrisi). Suhu akar tergantung kepada waktu (variasi reguler sepanjang hari), bulan (variasi reguler musiman), kedalaman di bawah permukaan tanah, sifat tanah yang menentukan absorpsi dan transmisi panas (terutama RH, kerapatan massa, dan sifat permukaan tanah). Di samping itu, ditemukan bahwa perbedaan tahap perkembangan tanaman dan perbedaan proses fisiologis mempunyai suhu optimum yang berbeda. Selanjutnya perkembangan reproduksi dari spesies tertentu lebih dikendalikan oleh suhu malam hari daripada suhu siang hari, serta banyak proses (terutama perkecambahan) dipercepat oleh suhu yang berubah-ubah. Tetapi hanya sedikit proses perkembangan yang dikendalikan oleh suhu saja dan respon terhadap suhu pada banyak kasus dapat dimodifikasi oleh faktor lainnya, terutama lingkungan cahaya. Misalnya pembentukan umbi pada kentang tergantung dari peran bersama suhu, fotoperiodisme, intensitas cahaya, dan suplai nutrien.

C.

ANALISIS KESEIMBANGAN PANAS PADA

CHAMBER

Proses perpindahan panas terjadi karena adanya perubahan suhu antara sistem (fluida/material) dengan lingkungan melalui penyerapan panas dan pelepasan panas. Jika suhu sistem lebih rendah daripada suhu lingkungan, proses yang terjadi adalah penyerapan panas. Sedangkan pelepasan panas terjadi jika suhu sistem lebih tinggi daripada suhu lingkungan. Panas dari udara rumah tanaman masuk ke dalam lapisan pembuat chamber yaitu multiplek sehingga membuat permukaan chamber lebih panas. Adanya isolator lain yaitu styrofoam yang juga melapisi chamber menyebabkan panas yang diserap multiplek dari udara rumah tanaman dihambat masuk ke dalam chamber. Multiplek dan


(43)

29 styrofoam merupakan bahan isolator dengan masing-masing memiliki konduktivitas termal 0.115 W/m.oC dan 0.026 W/m.oC sehingga udara dari rumah tanaman tidak seluruhnya terserap oleh chamber. Semakin besar nilai konduktivitas termal, semakin banyak panas yang dapat terserap oleh bahan, dan sebaliknya.

Gambar 27. Perpindahan panas pada chamber aeroponik

Pindah panas setiap sisi chamber berbeda-beda tergantung arah radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman, resistansi aliran panas (insulasi), luasan bahan material, dan perbedaan suhu di sekitar bahan. Gambar 27 menggambarkan besarnya perpindahan panas yang terjadi di setiap bagian chamber. Dari grafik diatas, diketahui bahwa umumnya pelepasan panas terjadi pada pagi hari (06:00-07:30) dan sore hari (16:00-18:00). Proses penyerapan panas dari lingkungan akan terjadi pada pukul 07:30 sampai 16:00, dimana pada waktu tersebut suhu rumah tanaman meningkat bersamaan dengan tingginya radiasi yang masuk ke dalam rumah tanaman. Kasus pada chamber bagian bawah berbeda dengan bagian lainnya. Disaat bagian sisi lain menyerap panas, sisi bawah melepaskan panas. Hal ini disebabkan karena radiasi gelombang panjang yang terserap oleh lantai akan menaikkan suhu udara dan menurunkan kerapatan udara di dasar lantai. Dengan demikian, kerapatan udara di atas lantai akan lebih tinggi dan suhu akan lebih rendah.

Tabel 4. Pindah panas total pada sistem aeroponik tanggal 1 Mei 2012

Waktu q (Watt) Keterangan

Chamber Pipa Total

13:00 23.7845 0.0001 23.7846 Maksimum 17:00 1.05166 0.00008 1.05174 Minimum

Tabel 4 merupakan laju pindah panas total pada sistem chamber dalam satu hari cerah. Pindah panas total pada tanggal 1 Mei 2012 yang paling besar adalah sisi depan (koordinat positif z atau arah Barat) dengan nilai 252.46 W/m karena tidak hanya dipengaruhi oleh udara panas rumah tanaman, tetapi dipengaruhi juga oleh panas yang keluar dari chiller (pendingin). Pindah panas yang paling kecil adalah sisi bawah (koordinat negatif y) dengan nilai 189.18 W/m karena melepaskan panas ke udara di atas lantai yang bersuhu rendah dibandingkan dengan permukaan chamber bagian bawah. Setiap sisi chamber menyerap panas dari lingkungan, namun tidak semua sisi chamber melepaskan


(44)

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 (oC) 24.1 34.4

Suhu larutan nutrisi (oC) 21.9 30.2

Suhu permukaan chamber (oC) 27.5 37.0

Radiasi matahari di dalam Rumah Tanaman (W/m2) 91 796

Arah radiasi matahari z = -1 y = 1

Koefisien perpindahan panas (W/m2.oC) 5.67 5.55


(45)

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.


(46)

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


(47)

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


(1)

58 Waktu pengukuran

(WIB)

Suhu titik pengukuran (oC)

RH (%)

Chamber sisi atas Chamber sisi bawah Pipa lateral Larutan nutrisi

L K J I N M H O

15:50 39.59 35.40 35.18 35.52 36.10 37.16 35.42 34.60 99.98 16:00 34.96 36.81 34.75 35.20 35.70 35.74 35.32 34.60 99.84 16:10 31.30 33.88 35.07 35.09 35.50 34.44 35.11 34.00 99.81 16:20 34.86 39.63 35.81 35.52 34.70 33.67 35.11 34.00 99.81 16:30 33.67 36.59 34.86 34.77 34.50 32.69 34.69 33.80 99.94 16:40 33.24 35.40 34.22 34.24 34.10 32.47 34.27 33.60 99.96 16:50 32.70 34.32 33.91 33.92 33.40 32.47 34.05 33.60 99.96 17:00 32.27 33.67 33.91 33.92 34.70 33.89 34.05 33.40 99.87 17:10 32.38 33.45 32.74 32.85 33.80 32.15 33.11 32.30 100.00 17:20 32.06 32.69 32.11 32.10 33.00 32.37 32.48 31.70 100.00 17:30 31.09 31.61 31.79 32.10 33.10 30.30 32.37 30.70 100.00 17:40 30.33 30.85 30.73 30.93 32.90 30.73 31.21 29.60 100.00 17:50 27.86 26.51 30.10 30.39 32.70 30.30 30.37 29.90 100.00 18:00 28.50 26.51 29.78 30.29 31.80 29.97 30.16 29.50 100.00


(2)

59 Lampiran 6. Data laju pindah panas pada sistem chamber aeroponik

Waktu pengukuran (WIB)

Laju pindah panas (W/m2)

q/A total (W/m2) Chamber sisi

depan

Chamber sisi belakang

Chamber sisi kanan

Chamber sisi kiri

Chamber sisi atas

Chamber sisi bawah

Pipa lateral

6:00 0.31639 0.36985 0.28443 -0.04233 -0.19735 0.70809 6.35442 7.79351 6:10 0.31999 0.08140 0.34304 -0.00524 -0.11075 0.58462 7.57425 8.78733 6:20 0.36440 0.31421 0.28019 0.07723 -0.01463 0.76955 6.99693 8.78789 6:30 0.47790 0.53968 0.38597 0.14255 0.06514 0.91158 4.30111 6.82393 6:40 0.60682 0.45977 0.51152 0.18542 0.19212 0.69638 6.46825 9.12027 6:50 0.86109 0.47095 0.49704 0.13536 0.23434 0.74810 5.23212 8.17900 7:00 0.55100 0.62735 0.63293 0.23227 0.35244 0.57950 7.28956 10.26505 7:10 1.38382 0.74769 0.79008 0.25098 0.36537 0.69198 4.81804 9.04795 7:20 0.16320 0.84714 0.77814 0.36049 0.38467 0.93859 7.16531 10.63756 7:30 0.97396 1.01343 1.41167 0.47840 1.46083 1.07795 7.51502 13.93126 7:40 3.08750 3.14012 3.12163 2.10805 1.67575 -5.79005 0.01170 7.35469 7:50 2.23106 3.56121 3.35479 2.84982 2.19522 -3.88615 0.03397 10.33992 8:00 1.89422 3.25031 3.28005 2.66570 3.06532 -8.08044 -0.05955 6.01561 8:10 1.98145 3.88455 3.64857 2.93078 2.46040 -5.52493 0.11966 9.50049 8:20 2.33221 3.21962 3.52942 2.52023 2.24720 -5.40068 0.14590 8.59390 8:30 2.46020 3.41503 3.52607 2.63100 3.07643 -8.22709 0.02181 6.90345 8:40 2.30082 3.06464 3.38744 2.17769 3.31891 -6.30189 0.19708 8.14468 8:50 1.84014 3.38256 3.50175 2.35987 2.71184 -2.25768 0.06574 11.60423 9:00 2.57529 3.79880 3.70317 2.83347 3.39533 -5.62743 0.28759 10.96621 9:10 2.45367 4.09247 3.77411 2.83381 5.71048 -9.76440 0.17448 9.27463 9:20 2.87698 5.54239 4.07178 2.98338 4.51645 -6.15304 0.04452 13.88247 9:30 3.38466 5.20158 3.48803 3.46641 5.17552 -4.39482 0.60837 16.92975


(3)

60 Waktu pengukuran

(WIB)

Laju pindah panas (W/m2)

q/A total (W/m2) Chamber sisi

depan

Chamber sisi belakang

Chamber sisi kanan

Chamber sisi kiri

Chamber sisi atas

Chamber sisi bawah

Pipa lateral

9:40 3.14024 4.99849 4.14868 3.21984 4.74843 -4.02751 0.08957 16.31774 9:50 2.80766 3.86017 3.54748 3.20732 4.58914 -2.12229 0.26239 16.15186 10:00 3.50631 4.52609 4.02214 3.65136 4.75393 -3.85544 0.11413 16.71853 10:10 3.50931 4.37967 3.87507 3.17851 5.01149 -3.65213 0.25471 16.55663 10:20 3.33822 4.05756 3.86281 3.51637 4.36547 -5.43643 0.29742 14.00142 10:30 3.63377 4.19468 3.91226 3.35973 4.34335 -3.10662 0.07122 16.40839 10:40 4.07988 4.43928 4.22896 3.85697 4.06815 -5.39696 0.25418 15.53047 10:50 3.43188 4.27728 3.90030 3.96473 3.64084 -3.94109 0.29948 15.57342 11:00 4.38933 4.35269 4.19413 4.27343 3.85852 -5.06845 0.44494 16.44457 11:10 3.56764 3.06864 3.39181 3.41793 3.89969 -5.12386 0.52195 12.74379 11:20 4.05903 3.98599 2.79431 4.39292 2.65016 -2.64984 1.91854 17.15112 11:30 4.40557 3.76172 3.83849 4.91802 3.30035 -3.72708 0.78683 17.28390 11:40 4.62335 3.07457 3.73018 4.54817 2.87423 -4.12071 0.21024 14.94003 11:50 4.91997 3.31086 3.86202 4.89323 3.23182 -5.07608 0.22986 15.37167 12:00 4.85356 2.38184 3.64311 5.11761 2.41165 -4.10457 1.04243 15.34564 12:10 4.83595 2.21742 3.20401 5.17729 2.26001 -5.02344 0.50604 13.17728 12:20 4.80745 2.45761 3.35387 4.55990 1.94611 -3.24447 0.63918 14.51966 12:30 4.80966 3.14689 3.54456 5.28726 2.56609 -5.33160 0.38860 14.41147 12:40 5.02001 2.79352 4.63617 6.57544 2.25275 -6.59555 0.83364 15.51599 12:50 4.59852 2.91928 2.99099 4.34950 1.58064 -3.35280 2.16172 15.24785 13:00 5.56731 3.60068 3.59108 4.58655 2.19967 -0.96303 0.75489 19.33714 13:10 5.91251 3.14582 3.12986 4.08247 2.03461 -2.99909 0.56342 15.86960 13:20 6.05592 2.05065 3.24845 4.19146 1.30148 -2.70451 1.39465 15.53810


(4)

61 Waktu pengukuran

(WIB)

Laju pindah panas (W/m2)

q/A total (W/m2) Chamber sisi

depan

Chamber sisi belakang

Chamber sisi kanan

Chamber sisi kiri

Chamber sisi atas

Chamber sisi bawah

Pipa lateral

13:30 7.16052 1.93326 2.84693 4.09744 1.06674 -3.19080 1.30888 15.22297 13:40 8.20325 2.07309 3.79649 4.84291 1.51854 -2.81717 0.98854 18.60565 13:50 6.40320 1.12095 2.96565 5.91202 1.27724 -3.01175 0.94230 15.60961 14:00 6.12641 0.95943 2.82463 5.19201 1.08035 -2.64586 0.88760 14.42456 14:10 5.96277 0.91659 2.63447 5.54348 0.52156 -5.10624 1.32976 11.80239 14:20 5.47708 1.60917 2.30701 3.64035 0.16270 -6.22262 2.65480 9.62848 14:30 7.27477 0.37696 1.78452 3.40558 0.60973 -5.77880 1.04452 8.71728 14:40 6.59081 1.15840 1.82955 3.09169 0.25356 -5.18680 1.51866 9.25587 14:50 5.95041 0.37201 2.23608 3.10030 0.61203 -4.83422 0.60712 8.04372 15:00 7.03294 0.33090 2.08253 4.54551 0.40334 -4.33756 1.05891 11.11657 15:10 7.59631 0.50866 1.63562 6.41233 0.44720 0.93156 1.06617 18.59785 15:20 6.84389 0.16863 2.09349 3.92175 0.26315 0.70204 0.59186 14.58481 15:30 5.44381 0.42086 1.95304 4.49222 0.12503 -0.75075 0.77195 12.45616 15:40 3.87511 -0.03738 1.56359 3.84643 0.28879 -0.27561 0.46365 9.72460 15:50 3.27568 0.14391 1.64190 3.87547 0.07590 -0.58782 1.01400 9.43904 16:00 2.16832 0.10400 1.47418 2.56589 0.67714 -0.02174 0.70452 7.67231 16:10 2.89739 1.58041 1.20466 1.82145 -0.25996 0.54907 0.79766 8.59068 16:20 2.35937 2.88720 0.66574 1.01023 1.27918 0.55364 2.42079 11.17614 16:30 2.93354 0.85721 0.67583 0.45646 0.48312 0.98193 1.04280 7.43089 16:40 2.19741 0.98319 0.41456 0.38224 0.23592 0.86140 0.52840 5.60313 16:50 1.74937 1.65699 0.24941 0.20166 0.07754 0.46958 0.38606 4.79060 17:00 0.85356 -0.32501 0.12535 -0.24764 -0.04528 0.29937 0.63063 1.29098 17:10 1.14429 0.10461 0.40792 -0.02231 0.18858 0.92629 0.78324 3.53263


(5)

62 Waktu pengukuran

(WIB)

Laju pindah panas (W/m2)

q/A total (W/m2) Chamber sisi

depan

Chamber sisi belakang

Chamber sisi kanan

Chamber sisi kiri

Chamber sisi atas

Chamber sisi bawah

Pipa lateral

17:20 0.99722 -0.00834 0.52333 0.12239 0.10023 0.28420 0.62846 2.64749 17:30 2.65131 1.14702 0.82616 0.37515 -0.05288 1.48966 2.02192 8.45835 17:40 1.23231 0.52029 0.86540 0.55601 0.03087 0.98440 1.94499 6.13426 17:50 1.41974 0.24148 0.80836 0.50829 -1.11486 1.02949 0.38860 3.28110 18:00 1.33292 0.73367 0.61149 0.39817 -1.10430 0.85061 0.94454 3.76709 Minimum 1.29098

Rata-rata 11.43350

Maksimum 19.33714


(6)

63 Lampiran 7. Data validasi suhu hasil simulasi terhadap hasil pengukuran

Koordinat Suhu

pengukuran (oC)

Suhu simulasi

(oC)

Perbedaan suhu

Error (%)

Validasi (%) X (m) Y (m) Z (m)

-0.137 0.025 -0.263 21.98 24.10 2.1193 9.6414 90.3586 0.076 0.020 -0.263 22.10 24.10 2.0000 9.0498 90.9502 1.122 0.025 -0.263 23.15 24.10 0.9502 4.1043 95.8957 1.306 0.030 -0.263 22.14 24.10 1.9605 8.8550 91.1450 0.737 0.170 -0.263 22.05 24.10 2.0453 9.2736 90.7264 0.546 0.272 -0.263 21.86 24.10 2.2441 10.2676 89.7324 0.606 0.410 -0.263 21.95 24.10 2.1508 9.7990 90.2010 0.562 0.047 -0.761 22.41 24.10 1.6915 7.5486 92.4514 0.562 0.047 -0.561 22.91 24.10 1.1903 5.1954 94.8046 0.562 0.043 -0.009 22.52 24.10 1.5763 6.9985 93.0015 0.562 0.047 0.179 22.46 24.10 1.6398 7.3008 92.6992 -0.137 0.037 -0.263 30.96 34.40 3.4353 11.0942 88.9058 0.093 0.030 -0.263 30.40 34.40 3.9999 13.1575 86.8425 1.097 0.030 -0.263 31.54 34.40 2.8584 9.0624 90.9376 1.303 0.037 -0.263 31.65 34.40 2.7467 8.6775 91.3225 0.732 0.173 -0.263 30.69 34.40 3.7136 12.1018 87.8982 0.536 0.260 -0.263 30.82 34.40 3.5792 11.6131 88.3869 0.587 0.410 -0.263 31.16 34.40 3.2444 10.4136 89.5864 0.526 -0.490 -0.263 36.83 34.40 2.4323 6.6037 93.3963 0.564 0.026 -0.763 30.77 34.40 3.6317 11.8035 88.1965 0.564 0.028 -0.559 31.94 34.40 2.4645 7.7171 92.2829 0.564 0.043 0.179 31.49 34.40 2.9075 9.2324 90.7676 Minimum 4.1043 86.8425 Rata-rata 9.0687 90.9313 Maksimum 13.1575 95.8957