12 Fluid Dynamics CFD. Perangkat lunak ini membutuhkan personal computer agar dapat
dijalankan dan digunakan. Selain itu, PC dapat digunakan untuk semua proses yang berkaitan dengan pengolahan data, desain dan proses simulasi.
3.3 Metode Penelitian
3.3.1 Persiapan Penelitian
Persiapan penelitian meliputi kegiatan sterilisasi rumah tanaman dari kotoran, terutama membersihkan lantai rumah tanaman dan memasang termokopel sesuai dengan
titik-titik pengukuran Gambar 4 dan 5.
Gambar 4. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak atas satuan m
U
0.8 2.1
1.5
4.5
12
13
Gambar 5. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak depan satuan m 3.3.2
Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian mencakup beberapa hal penting, yaitu pengukuran parameter iklim mikro rumah tanaman, simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah
tanaman, validasi hasil simulasi suhu, analisis pindah panas konveksi dan analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman.
a. Pengukuran Parameter Iklim Mikro
Pengukuran parameter iklim mikro pada rumah tanaman meliputi pengukuran suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas pemukaan lantai, pengukuran radiasi
matahari di dalam rumah tanaman, serta pengukuran parameter iklim mikro di luar rumah tanaman suhu udara, radiasi matahari, kelembaban udara, curah hujan, tekanan
udara dan kecepatan angin. Pengukuran dilakukan menggunakan weather station yang merekam data cuaca secara otomatis setiap 30 menit selama tiga hari untuk kondisi
cuaca berawan, berangin, cerah dan hujan. Data yang digunakan untuk simulasi adalah pada saat radiasi matahari minimum dan maksimum.
Weather station dipasang di luar dan di dalam rumah tanaman, sedangkan wireless vantage pro2 untuk menyimpan data cuaca diletakkan di basecamp. Komputer
kemudian mengunduh data tersebut dengan perangkat lunak weatherlink Gambar 6. 2.1
4.2
14 Gambar 6. Weather station dan Wireless Vantage Pro2 untuk pengukuran
Pengukuran suhu Tipe T menggunakan sensor termokopel, dimana datanya direkam oleh hybrid recorder Gambar 7. Titik-titik pengukuran suhu ini diletakkan
pada bagian lantai yang memiliki pengaruh besar untuk proses pindah panas di dalam rumah tanaman dan titik-titik yang sensitif akibat adanya perubahan suhu udara di luar
rumah tanaman. Jumlah titik-titik pengukuran sebanyak 20 titik yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Gambar 8 menunjukkan pengukuran suhu lantai dan udara di atas
permukaan lantai rumah tanaman.
Gambar 7. Termokopel yang dihubungkan ke hybrid recorder untuk pengukuran suhu
15 Gambar 8. Pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman
Pengambilan data hasil pengukuran dilakukan setiap 30 menit. Pengukuran dimulai pada pukul 06.00 hingga pukul 18.00. Hybrid recorder dipasang pada rentang
pengambilan data setiap 1 menit dengan lama pengukuran 12 jam, akan tetapi data yang digunakan hanya rentang waktu setiap 30 menit. Untuk weather station, sensor suhu
diatur dalam satuan
o
C, kecepatan angin dalam satuan mdetik, arah angin dalam satuan derajat.
b. Simulasi Sebaran Suhu Menggunakan CFD
Simulasi sebaran suhu dilakukan menggunakan CFD dengan perangkat lunak “Solidworks®”. Model simulasi yang dilakukan sangat bergantung pada memori dan
kecepatan processor komputer yang digunakan. Komputer yang digunakan adalah komputer dengan spesifikasi CPU intel® Core
TM
i7; 12GB RAM; dan 64-bit Operating System.
Analisis yang dilakukan adalah analisis tiga dimensi terhadap aliran fluida dan termal khusus sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman pada kondisi
tunak 3-dimensional steady state analysis. Asumsi yang digunakan dalam simulasi adalah:
1 Udara bergerak dalam keadaan steady.
2 Udara tidak terkompresi.
3 Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan.
4 Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.
Simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman tipe modified standard peak pada saat radiasi matahari minimum dan
radiasi matahari maksimum. Data masukan kondisi awal dan kondisi batas simulasi disajikan pada Tabel 1, sedangkan diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan
permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD dijelaskan pada Gambar 9.
16
Gambar 9. Diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah
tanaman menggunakan CFD Mulai
Pembuatan geometri part Pendefinisian material geometri
Penyusunan struktur geometri assembly
Set kondisi umum ambien Set domain, boundary condition
dan goal parameter Pre-processor
Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter
Selesai Post-processor
Ya Run
Meshing Calculation
Konvergen Tidak
Solver
17 Tabel 1. Masukan kondisi awal rumah tanaman
Masukan Kasus
1 2
Kondisi Awal Suhu lingkungan
o
C 25.7
33.9 Suhu material padat
o
C 26.3
38.5 RH lingkungan
92.14 51.68
Kecepatan angin mdetik 1.29
Arah angin -
Timur laut Radiasi matahari Wm
2
1,092 Waktu WIB
06:00 12:00
Media berpori Kassa belakang Jenis
Kawat kassa Porositas kassa
0.4133 Tipe permeabilitas
Isotropik Resistance calculation formula
Pressure Drop, Flowrate, Dimensions Panjang
4.92 m Luas
6.8388 m
2
Langkah-langkah proses simulasi menggunakan perangkat lunak “Solidworks®”
adalah sebagai berikut : 1
Pembuatan geometri rumah tanaman Dimensi rumah tanaman yang digunakan untuk pembuatan geometri ini
adalah kondisi yang sebenarnya sesuai dengan gambar teknik pembangunan rumah tanaman yang mendekati kenyataan di lapangan. Setelah geometri siap
digunakan, dilakukan penentuan computational domain Gambar 10 yang akan menjadi daerah perhitungan simulasi.
Gambar 10. Geometri rumah tanaman dan daerah perhitungan model simulasi
18 2
Penetapan general setting Ada empat tahap yang ditetapkan pada bagian ini yaitu tipe analisis, jenis
fluida, jenis material padat dan kondisi batas serta kondisi awal simulasi secara umum. Gambar 11 sampai dengan Gambar 15 adalah tampilan interface general
setting untuk Kasus 1.
Gambar 11. Tipe analisis dan nilai masukan radiasi matahari untuk Kasus 1 Tipe aliran yang digunakan adalah tipe aliran eksternal, karena bagian
yang dianalisis berhubungan dengan lingkungan dari luar rumah tanaman. Masukan data berupa suhu lingkungan, radiasi matahari dan memperhitungkan
proses pindah panas konduksi serta gravitasi Gambar 11. Fluida yang dianalisis adalah udara dengan tipe aliran laminar dan
turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara Gambar 12. Default material padat solid dalam simulasi ini adalah concrete beton Gambar 13.
Pengaturan kondisi batas hanya memasukkan nilai kekasaran roughness sebesar 0 µm Gambar 14. Nilai suhu udara dan kelembaban pada initial and
ambient condition disesuaikan dengan tipe aliran yang digunakan. Tipe aliran yang digunakan adalah eksternal, sehingga suhu udara dan kelembaban yang
dimasukkan merupakan kondisi luar rumah tanaman. Nilai tekanan yang dimasukkan sebesar 101,325 kPa dan suhu material padat dimasukkan sesuai
analisis kasus yang dibutuhkan Gambar 15.
19 Gambar 12. Pengaturan fluida yang dianalisis dan tipe aliran pada Kasus 1
Gambar 13. Pengaturan material pada Kasus 1
20 Gambar 14. Kondisi batas pada Kasus 1
Gambar 15. Kondisi awal pada Kasus 1 3
Pengaturan mesh untuk perhitungan pada level 3. 4
Daerah perhitungan dibuat untuk daerah di luar dan di dalam rumah tanaman
Tabel 2.
21 Tabel 2. Daerah perhitungan dalam simulasi
Koordinat Jarak m
Xmin -7.5
Xmax 1
Ymin -2.67
Ymax 4
Zmin -10
Zmax 5
5 Pendefinisian material rumah tanaman
Bagian utama yang digunakan dalam simulasi ini adalah atap, dinding, lantai dan rangka rumah tanaman. Atap didefinisikan sebagai PC
Polycarbonate, dinding sebagai media berpori porous media, lantai sebagai beton concrete, dan rangka sebagai baja ringan steel, mild. Semua data
teknik material tersebut belum tersedia di database Solidworks®, sehingga data- data sifat bahan tersebut dimasukkan oleh peneliti Tabel 3.
Tabel 3. Sifat bahan yang dimasukkan ke dalam data teknik Solidworks®
Sifat bahan Satuan
Polycarbonate Concrete
Steel, mild
+
Kerapatan ρ
kgm
3
1,200 2,000
7,833 Panas jenis cp
Jkg
o
C 1,300
1,000 45.3
Konduktivitas panas k Wm
o
C 0.20899
1.13 0.502
Tipe konduktivitas -
Isotropik Isotropik
Isotropik Melting temperature
o
C 630
1,000 1,410
Keterangan : Katalog SolarTuff
+
Cengel 2003 Database www.engineeringtoolbox.com dan www.people.bath.ac.uk
6 Pengaturan kondisi batas
Komponen rumah tanaman yang memiliki sumber panas terbesar adalah lantai dan atap. Atap merupakan komponen pertama yang berinteraksi langsung
dengan radiasi matahari, kemudian diteruskan ke lantai. Sehingga kedua komponen ini menyimpan panas lebih besar dari komponen-komponen lainnya.
Kondisi batas real wall yang ditetapkan hanya pada permukaan lantai rumah tanaman dan dinding bawah rumah tanaman. Pengaturan real wall ditetapkan
tergantung dari suhu lantai di beberapa jarak pengukuran. 7
Pengaturan tujuan goals dari simulasi Goal dari simulasi adalah suhu udara global dan kecepatan udara global.
Data suhu udara global ini digunakan untuk validasi dengan hasil pengukuran.
22 8
Proses running perhitungan dijalankan Persamaan-persamaan konservasi diselesaikan dengan metode iterasi
SIMPLER Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised. Proses perhitungan dimulai dengan memecahkan variabel kecepatan fluida dan
tekanan. Proses perhitungan ini diperlihatkan kepada pengguna berupa grafik yang menunjukkan konvergenitas residual variation. Jika proses perhitungan
menghasilkan residual yang menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya, maka dikatakan bahwa tebakan nilai terhadap variabel-variabel cukup baik dan solusi
akan diperoleh. Proses iterasi akan berhenti ketika kondisi konvergen tercapai. Solidworks® akan secara otomatis mengatur time step sama dengan satu
untuk analisis termal kondisi tunak. Karena simulasi dilakukan pada aliran tetap dimana udara tidak terkompresi, maka nilai massa jenis konstan selama iterasi.
9 Tahap post-processor
Pada tahap ini tampilan yang dibutuhkan oleh peneliti dapat ditentukan secara langsung sebagai hasil simulasi CFD, seperti bentuk kontur suhu dan
kecepatan udara, animasi dan sebagainya. c.
Validasi Hasil Simulasi Suhu Validasi sebaran suhu dilakukan dengan membandingkan antara hasil simulasi
CFD dan hasil pengukuran. Pengujian keabsahan dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara hasil simulasi y dan hasil
pengukuran x Persamaan 10. Dimana, a menyatakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi.
y = a + bx .......................................................................................... 10 Model dinyatakan dapat memberikan prediksi sebaran suhu yang semakin baik
bila persamaan regresinya memiliki nilai intersep a semakin mendekati nol dan gradiennya b semakin mendekati satu. Selain itu, validasi hasil simulasi dilakukan
dengan menghitung nilai ketepatan seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 11.
� � = 1 −
−
�
100
................................................... 11 dimana,
adalah nilai aktual pengukuran
�
adalah nilai hasil simulasi d.
Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman
Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan setelah hasil simulasi memiliki nilai yang valid. Analisis
pindah panas konveksi dilakukan antara lantai dengan udara di atasnya dengan menggunakan persamaan-persamaan pindah panas. Dalam penelitian ini diasumsikan
bahwa perpindahan panas yang terjadi hanya melalui konveksi alami dengan batas sistem adalah dinding rumah tanaman setinggi 60 cm, sehingga proses pindah panas
hanya terjadi antara lantai dan udara di atas permukaan lantai, serta terjadi pada tiga dimensi dalam keadaan tunak steady. Kemudian analisis pola aliran udara di atas
permukaan lantai rumah tanaman dilakukan dari hasil simulasi menggunakan CFD.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Lingkungan mikro di dalam rumah tanaman khususnya di daerah tropika basah perlu mendapat perhatian khusus, mengingat ciri iklim tropika basah dengan suhu udara yang relatif
panas, intensitas radiasi matahari yang tinggi dan kelembaban udara yang tinggi. Pengendalian lingkungan mikro rumah tanaman yang paling mendasar adalah mengenai modifikasi struktur
rumah tanaman dan material penyusun rumah tanaman. Salah satu hal penting mengenai struktur rumah tanaman adalah proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman khususnya lantai
rumah tanaman. Lantai dijadikan pembanding dalam hal penentuan luas ventilasi rumah tanaman. Selain itu, jenis material dan tebal bahan yang digunakan juga sangat berpengaruh dalam proses
perpindahan panas di dalam rumah tanaman.
4.1 Perubahan Suhu Udara dan Suhu Permukaan Lantai Rumah Tanaman