ANALISIS DAN SIMULASI DISTRIBUSI SUHU UDARA PADA KANDANG SAPI PERAH MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) AHMAD YANI

Transkripsi

1 ANALISIS DAN SIMULASI DISTRIBUSI SUHU UDARA PADA KANDANG SAPI PERAH MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) AHMAD YANI SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI LAIN Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Analisis dan Simulasi Distribusi Suhu Udara pada Kandang Sapi Perah Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah karya saya sendiri 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 tesis ini Bogor, September 2007 Ahmad Yani F

3 RINGKASAN AHMAD YANI. F Analisis Distribusi Suhu Udara pada Kandang Sapi Perah Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh HERRY SUHARDIYANTO, ROKHANI HASBULLAH DAN BAGUS PRIYO PURWANTO. Sapi perah Fries Holland (FH) sangat peka terhadap perubahan iklim mikro terutama suhu dan kelembaban udara. Pada lokasi yang memiliki suhu tinggi dan kelembaban udara yang tidak mendukung, sapi perah akan mengalami cekaman panas yang berakibat pada menurunnya produktivitas. Penyebab tingginya suhu dan kelembaban udara adalah radiasi matahari, produksi panas ternak, tinggi dan luas kandang serta bahan atap. Upaya yang dapat dilakukan untuk menurunkan suhu dan kelembaban udara pada kandang sapi perah adalah modifikasi disain kandang dengan cara menganalisis distribusi suhu dan kelembaban udara dalam kandang melalui analisis pola aliran udara. Pola aliran udara pada ventilasi alamiah dapat dianalisis menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Melalui CFD disain kandang seperti tinggi dan luas dapat diubah-ubah sehingga diperoleh disain kandang dengan tinggi, lebar, luas bukaan ventilasi yang menghasilkan distribusi suhu yang lebih rendah dari disain lainnya. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis distribusi suhu dan kelembaban udara pada kandang sapi perah FH menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), melakukan simulasi tinggi dan luas kandang sapi perah FH (dua arah angin) untuk mendapatkan distribusi suhu dan kelembaban udara (RH) yang lebih baik dan merekomendasikan modifikasi desain kandang sapi perah FH (tinggi, luas, bukaan ventilasi kandang dan posisi bak penampung air). Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Bagian Ternak Perah, Fakultas Peternakan, IPB pada Bulan Mei - Juli Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah kandang sapi perah FH, tambang, dan bambu. Kandang sapi perah memiliki kapasitas 20 ekor sapi dengan model kandang tail to tail yang memiliki ukuran: panjang 13 m, lebar 6,3 m dan tinggi 5,75 m. Lantai kandang terbuat dari beton dengan kemiringan 2%, atap menggunakan asbes, rangka menggunakan besi, tempat pakan dan minum terbuat dari beton. Peralatan yang digunakan meliputi weather station, termokopel, recorder, anemometer, mistar ukur, note book, personal computer (PC) dengan software autocad 2005, gambit & fluent 6.2. Parameter iklim mikro yang diukur adalah suhu, kelembaban udara, arah dan kecepatan angin serta radiasi matahari (sesaat). Suhu kulit sapi diperoleh dari pengukuran di empat titik yaitu punggung, dada, tungkai atas dan tungkai bawah. Validasi dilakukan dengan standar deviasi dan curve fitting. Distribusi suhu udara dalam kandang (kandang kosong) pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007) pada ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m memiliki nilai rata-rata yang sama yaitu sebesar 28,69 o C. Pada pukul 13:00 WIB (16 juni 2007), distribusi suhu udara meningkat dari posisi dekat lantai ke posisi dekat atap dengan suhu udara rata-rata pada ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m masing-masing sebesar 32,57; 32,61 dan 32,63 o C. Pada pukul 15:20 WIB, distribusi suhu udara pada ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m masing-masing memiliki nilai rata-rata sebesar 32,37; 32,38 dan 32,38 o C. Hasil analisis distribusi suhu udara dan RH dalam

4 kandang pada pukul 09:20, 13:00 dan 15:20 WIB (16 Juni 2007) menunjukkan bahwa distribusi suhu udara pada ketinggian 1,2 dan 1,6 dari lantai paling rendah berada pada posisi dekat inlet, sedangkan distrubusi suhu udara tertinggi berada dekat outlet. Inlet dan outlet dipengaruhi oleh arah datangnya angin (depan, belakang, kanan dan kiri) karena bukaan ventilasi yang cukup besar di kanan, kiri, depan dan belakang kandang. Pada pukul 09:20 dan 15:20 WIB (arah angin dari depan), distribusi suhu udara dalam kandang pada ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m, suhu udara tertinggi selain berada di dekat outlet juga berada di tengah kandang. Distribusi RH berbanding terbalik dengan distribusi suhu udara. Semakin tinggi suhu, maka RH udara dalam kandang semakin turun. Pada pukul 13:00 WIB (arah angin dari kiri) pada ketinggian 1,2 dan 1,6 distribusi suhu udara terendah berada di dekat inlet dan tertinggi berada di dekat outlet. Pada ketinggian 0,6 m suhu udara terendah berada di bagian yang berhadapan dengan inlet, karena udara tidak dapat menembus dinding (tinggi 1,05 m) dan berbalik kea rah inlet, maka suhu udara tertinggi berada di dekat inlet dan bagian tengah kandang. Distribusi suhu udara dan RH dalam kandang selain dipengaruhi oleh bukaan ventilasi, dipengaruhi juga oleh kecepatan dan arah datangnya angin, perbedaan temperatur di dalam & luar kandang, tinggi dan luasan kandang. Validasi suhu udara dan RH hasil CFD dengan suhu udara dan RH hasil pengukuran memberikan nilai standar deviasi untuk suhu udara sebesar 0,39 o C pada pukul 09:20 WIB, 0,33 o C pada pukul 13:00 WIB dan 0,30 o C pada pukul 15:20 WIB, sedangkan nilai standar deviasi untuk RH sebesar 2,44%. Rendahnya nilai standar deviasi menunjukkan bahwa validasi suhu udara dan RH memiliki akurasi yang cukup tinggi sehingga dapat dijadikan acuan untuk melakukan simulasi disain kandang. Validasi suhu udara dan RH dilakukan pada saat kandang tidak diisi sapi (kandang kosong) Simulasi dilakukan pada pukul 13:00 WIB (radiasi dan suhu udara lingkungan mencapai puncaknya) dengan memasukkan 20 ekor sapi perah FH dalam kandang (bobot rata-rata sebesar 350 kg). Distribusi suhu udara dalam kandang pada simulasi disain kandang sangat dipengaruhi oleh luas bukaan ventilasi (inlet dan outlet). Semakin besar bukaan inlet dan outlet (tinggi dan lebar kandang) distribusi suhu udara dalam kandang pada tiga ketinggian (z=0,6; 1,2 dan 1,6 m) akan semakin rendah. Disain kandang terpilih hasil simulasi memiliki ukuran tinggi 6,25 m; lebar 8,3 m; tinggi dinding 0,4 m dan bak penampung air dipindahkan dari posisi semula. Disain kandang terpilih sudah memperhitungkan panas yang diproduksi ternak (2.728,45 kj/jam per ekor) dan memiliki suhu udara rata-rata pada tiga ketinggian (z=0,6; 1,2 dan 1,6 m) yang paling rendah dibandingkan disain kandang lainnya serta tingkat keseragaman suhu yang baik. Disain kandang terpilih dengan arah angin dari depan/belakang memiliki distribusi suhu dengan nilai rata-rata pada ketinggian 0,6; 1,2 dan 1,6 m sebesar 32,917 o C, sedangkan pada arah angin dari kanan/kiri sebesar 33,736 o C. Distribusi suhu udara pada disain kandang terpilih di tiga ketinggian (z=0,6; 1,2 dan 1,6 m) memiliki nilai yang lebih rendah (0,474 o C) dari kondisi awal sehingga dapat meningkatkan dry matter intake pada sapi perah FH sebesar 0,403 kg per ekor per hari.

5 ABSTRACT Ahmad Yani. Analysis and Simulation of Air Temperature Distribution in Dairy Barn by Using Computational Fluid Dynamics (CFD). Under the direction of HERRY SUHARDIYANTO, ROKHANI HASBULLAH and BAGUS PRIYO PURWANTO This research was conducted in order to analyze temperature and relative humidity distribution in dairy barn of Fries Holland (FH) as a basic consideration for dairy barn design. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to analyze the temperature and relative humidity distribution in a dairy barn. The capacity of the dairy barn was 20 heads of FH with tail to tail model. The dimensions of the dairy barn were: 13 m in length, 6.3 m in width, and 5.75 m in high. The floor was made from concrete with 2 o slope. Asbestos was used as roof of the dairy barn, whereas frame of the dairy barn was made from steel. The results of the analysis showed that during the daytime, air temperature inside the dairy barn increased by the height from floor level. The CFD simulation showed clearly the temperature distribution in the dairy barn. Air temperature obtained from CFD simulation agreed very well with that of the measured values. Therefore, it can be used as basic consideration for the dairy barn design with respect to low air temperature and uniform air temperature distribution. It was recommended that one of the best design configurations is 6.25 m high, 8.3 m wide, 0.4 m high of wall. The best design could decrease o C of air temperature and increased dry matter intake of dairy cattle kg per day per head. The amount of heat production of FH was considered to determinate the best design of dairy barn. Keyword : dairy barn, air temperature distribution, design, computational fluid dynamics (CFD)

6 Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2007 Hak cipta dilindungi undang undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar terhadap IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB

7 ANALISIS DAN SIMULASI DISTRIBUSI SUHU UDARA PADA KANDANG SAPI PERAH MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) AHMAD YANI Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007

8 Judul Tesis Nama NIM : Analisis dan Simulasi Distribusi Suhu Udara pada Kandang Sapi Perah Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) : Ahmad Yani : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc Ketua Dr. Ir. Rokhani Hasbullah, M.S Anggota Dr. Ir. Bagus P. Purwanto, M.Agr Anggota Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Prof.Dr.Ir.Armansyah H.Tambunan, M.Agr Prof.Dr.Ir. Khairil A.Notodiputro,MS Tanggal Ujian: 23 Agustus 2007 Tanggal Lulus:

9 PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan ke hadlirat Allah SWT, karena atas berkat dan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis dengan judul Analisis dan Simulasi Distribusi Suhu Udara pada Kandang Sapi Perah Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Tesis ini merupakan hasil penelitian yang penulis laksanakan dari bulan Februari Juli Pengambilan data parameter iklim mikro, dimensi dan sifat termofisik bahan penyusun kandang, bobot dan luas kulit sapi perah dilakukan di Laboratorium Lapangan, Bagian Ternak Perah, Departemen Ilmu Produksi dan Teknologi Peternakan, Fakultas Peternakan, Institut Pertanian Bogor dari bulan Mei Juli Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada Bapak Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc selaku Ketua Komisi Pembimbing dan Dr. Ir. Bagus P. Purwanto, M.Agr dan Bapak Dr. Ir. Rokhani Hasbullah M.S selaku Anggota Komisi Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan sejak awal penelitian hingga selesainya penulisan tesis ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.S selaku Penguji Luar Komisi yang telah banyak memberikan masukan dan pengayaan dalam tesis ini. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional dan Yayasan Dana Sejahtera Mandiri yang telah memberikan biaya bantuan pendidikan dan penelitian hingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan Magister Sains di IPB ini. Ucapan terimakasih selanjutnya penulis sampaikan kepada Bagian Ternak Perah, DIPTP, FAPET, IPB atas diijinkannya penulis melakukan penelitian dan menggunakan sapi perah-nya; Bagian Lingkungan dan Bangunan Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, FATETA, IPB; kepada rekan dan mahasiswa bimbingan: Sofyan (Bagon), Suharjo, Eni Sumarni, Gustaf, Elfiandra, Leo, Maisa, Surajudin, Pak Ahmad LBP, Ali, Ujang, Anta, Titin, Toriq. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh Staf Pengajar dan Penunjang DIPTP, FAPET, IPB atas dukungan dan do anya; segenap pengelola dan kru Kantor Jasa Ketenagakerjaan (KJK) IPB; Pak Uci dan Bu Lilis atas pengertian, dukungan dan bantuannya dan semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tesis ini. Selanjutnya ucapan terima kasih yang teramat dalam penulis sampaikan kepada Istri dan Anak tercinta Siti Roudhotul Zannah dan Azkia Fataya Ahmad yang selalu mendo akan, mencurahkan kasih sayang dan mendorong penulis untuk menyesaikan tesis ini. Tidak lupa ucapan terima kasih dan do a penulis sampaikan kepada Ibunda Warsih dan Ayahanda Muhadi yang telah melahirkan, membesarkan, memberikan kasih sayang, mendidik dan mengarahkan penulis untuk terus maju dan berkarya serta kakak, adik, dan keponakan-ponakanku. Selanjutnya ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Ibu dan Bapak Mertua serta adik-adik iparku atas dukungan, pengertian dan do anya. Bogor, September 2007 Ahmad Yani

10 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Cirebon pada tanggal 3 Mei 1972 dari Ayah Muhadi dan Ibu Warsih. Penulis merupakan putra keempat dari sembilan bersaudara. Tahun 1992 penulis lulus dari SMA Negeri Palimanan dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih Jurusan Keteknikan Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian dan lulus pada tahun Pada tahun 2002, penulis diterima di Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian pada Program Pascasarjana IPB. Beasiswa pendidikan Pascasarjana diperoleh dari Departemen Pendidikan Nasional (BPPS) dan Yayasan Damandiri. Penulis bekerja sebagai Staf Pengajar di Departemen Ilmu Produksi dan Teknologi Peternakan, Fakultas Peternakan, Institut Pertanian Bogor sejak tahun 1999.

11 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR LAMPIRAN... viii PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang... 1 Tujuan Penelitian... 2 TINJAUAN PUSTAKA... 3 Produksi Panas Hewan Dalam Kandang... 3 Suhu Efektif... 4 Pengaruh Suhu dan Kelembaban Udara Terhadap Sapi Perah FH... 5 Pindah Panas dan Massa pada Kandang Sapi Perah FH... 7 Distribusi Suhu dan RH pada Kandang Sapi Perah FH... 9 Ventilasi Efek Angin dan Efek Termal Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulasi PENDEKATAN TEORITIS Teknik Simulasi Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). 15 Koefisien Konveksi pada Kandang Sapi Perah FH Koefisien Konveksi pada Kulit Sapi Perah Perhitungan Distribusi RH Udara dalam Kandang METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Bahan dan Alat Penelitian Metode Peneltitan HASIL DAN PEMBAHASAN Distribusi Suhu dan Kelembaban Udara pada Kandang Sapi Perah Validasi Suhu dan Kelembaban Udara pada Kandang Sapi Perah Simulasi Disain Kandang Sapi Perah... 48

12 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 70

13 DAFTAR TABEL Halaman 1 Produksi panas sapi perah (bobot badan 454,5 kg) Indeks suhu dan kelembaban relatif untuk sapi perah Suhu rektal, denyut jantung dan frekuensi pernafasan sapi FH Produksi susu, volume urine, konsumsi air minum, konsumsi pakan sapi perah FH pada suhu berbeda Total produksi panas (kj/kg.mbs.jam) yang dihasilkan sapi perah FH pada berbagai tingkat konsumsi pakan (feed intake) Lokasi titik-titik pengukuran suhu udara dalam kandang dengan termokopel Nilai massa jenis, panas jenis dan konduktivitas bahan penyusun kandang Data input boundary condition untuk fluent 6.2. pada tanggal 16 Juni Suhu udara dalam kandang sapi perah FH hasil analisis CFD Kelembaban udara dalam kandang sapi perah FH hasil analisis CFD Hasil validasi suhu udara pengukuran dengan suhu udara hasil CFD dalam kandang Data input boundary condition untuk fluent 6.2 untuk simulasi Suhu udara ( o C) dalam kandang sapi perah FH hasil analisis CFD pada kondisi awal dengan inlet dari kanan/kiri dan depan/belakang Distribusi suhu udara hasil simulasi CFD pada beberapa disain kandang dengan arah angin dari depan/belakang Distribusi suhu udara hasil simulasi CFD pada beberapa disain kandang dengan arah angin dari kanan/kiri Distribusi suhu udara pada disain kandang terpilih dan kandang kondisi awal dengan inlet di kanan/kiri dan depan/belakang... 61

14 DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Diagram produksi panas sapi perah FH pada beberapa suhu lingkungan Algoritma numerik volume hingga dengan metode SIMPLE Diagram proses pemanasan pada kurva psychrometric Kandang sapi perah FH penelitian (a) dan sapi perah FH (b) Kandang sapi perah FH (ortogonal) Bentuk geometri kandang sapi perah FH Diagram alir proses penyelesaian masalah simulasi kandang sapi perah FH menggunakan teknik CFD Radiasi matahari (Watt/m 2 ) pada tanggal 16 Juni Suhu udara dan RH lingkungan pada tanggal 16 Juni Sebaran suhu udara dalam kandang pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007) Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007) Vektor kecepatan aliran suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 09:20 WIB (16 Juni 2007) Sebaran suhu udara dalam kandang pada pukul 13:00 WIB (16 Juni 2007) Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 13:00 WIB (16 Juni 2007) Vektor kecepatan aliran suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 13:00 WIB (16 Juni 2007) Sebaran suhu udara dalam kandang pada pukul 15:20 WIB (16 Juni 2007) Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 15:20 WIB (16 Juni 2007) Vektor kecepatan aliran suhu udara di dalam kandang sapi perah pada pukul 15:20 WIB (16 Juni 2007) Validasi suhu hasil simulasi CFD terhadap suhu pengukuran di 24 titik dalam kandang (pukul 09:20 WIB, tanggal 16 Juni 2007) Validasi suhu hasil simulasi CFD terhadap suhu pengukuran di 24 titik dalam kandang (pukul 13:00 WIB, tanggal 16 Juni 2007)... 46

15 21 Validasi suhu hasil simulasi CFD terhadap suhu pengukuran di 24 titik dalam kandang (pukul 15:20 WIB, tanggal 16 Juni 2007) Validasi kelembaban udara hasil simulasicfd terhadap kelembaban udara pengukuran di 4 titik dalam kandang pukul 09:20 WIB (titik 1-4), 13:00 WIB (titik 5-8) dan 15:20 WIB (titik 9-12) pada tanggal 16 Juni Peletakan kulit sapi perah pada geometri kandang awal Peletakan kulit sapi perah pada geometri kandang simulasi Sebaran suhu udara dalam kandang hasil simulasi pada kondisi awal (arah angin (inlet) dari kanan) Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada kondisi awal simulasi (arah angin (inlet) dari kanan Sebaran suhu udara dalam kandang hasil simulasi pada kondisi awal (arah angin (inlet) dari depan Kontur suhu udara di dalam kandang sapi perah pada kondisi awal simulasi (arah angin (inlet) dari depan... 56

16 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Perhitungan bilangan Reynolds Validasi suhu udara dalam kandang Validasi kelembaban udara dalam kandang Bobot badan dan luas permukaan kulit sapi perah FH (15 Mei 2007) Posisi peletakan sapi perah FH dalam kandang Tinggi badan dan dalam dada sapi perah FH Kandungan bahan pakan pada sapi perah FH selama penelitian... 77

17 DAFTAR SIMBOL β koefisien ekspansi dari volume gas ideal (1/ o K) θ sudut kemiringan bidang ( o ) ρ massa jenis udara (kg/m 3 ) μ viskositas dinamik udara (kg/m.det) ν viskoitas kinematik udara (m 2 /det) a suhu kulit bagian punggung ( o C) A luas area pindah panas (m 2 ) A s luas permukaan kulit sapi (m 2 ) AM kecepatan angin (m/det) b suhu kulit bagian dada ( o C) c suhu kulit bagian tungkai atas ( o C) d suhu kulit bagian tungkai bawah ( o C) D diameter spesifik kandang (m) DBT b suhu bola kering pada tubuh sapi ( o C) DBT p suhu bola kering pada pernafasan sapi ( o C) ET suhu efektif pada ternak ( o C) g gaya grafitasi (m/det 2 ) Gr L bilangan Grashoff GT suhu lingkungan ( o C) h koefisien pindah panas konveksi (W/m 2. o C) k konduktivitas panas udara (W/m. o C) L panjang karakteristik (m) mts suhu kulit ( 0 C) Nu bilangan Nusselt p nilai suhu ( o C)dan RH (%) hasil simulasi Pr bilangan Prandtl P s P v Q Ra L tekanan jenuh uap (Pa) tekanan parsial uap (Pa) besarnya panas yang dipindahkan (W) bilangan Releigh

18 Re bilangan Reynolds RD radiasi matahari (cal/cm 2.menit) RH kelembaban relatif (%) T s suhu permukaan bahan ( o C) T suhu udara pada jarak tertentu dari permukan bahan ( o C) u nilai suhu ( o C) dan RH (%) hasil pengukuran v kecepatan udara (m/det) W berat tubuh sapi FH (kg) WBT suhu bola basah ( o C)

19 PENDAHULUAN Latar Belakang Sebagian besar sapi perah yang ada di Indonesia adalah sapi bangsa Fries Holland (FH), didatangkan dari negara-negara Eropa yang memiliki iklim sedang (temperate) dengan kisaran suhu rendah berkisar o C (McDowell, 1972), 5-25 o C (Jones and Stallings, 1999). Dengan kondisi asal iklim tersebut, sapi perah FH sangat peka terhadap perubahan iklim mikro terutama suhu dan kelembaban udara. Apabila sapi FH ditempatkan pada lokasi yang memiliki suhu tinggi dan kelembaban udara yang tidak mendukung maka sapi tersebut akan mengalami cekaman panas yang berakibat pada menurunnya produktivitas sehingga potensi genetiknya tidak dapat tampil secara optimal. Suhu udara di Indonesia pada umumnya tinggi yaitu antara o C, dan kelembaban udara juga tinggi yaitu antara 60-90%. Hal ini dapat menyebabkan proses penguapan dari tubuh sapi FH terhambat sehingga sapi mengalami cekaman panas (Wierama, 1990). Tingginya suhu dan kelembaban udara tersebut disebabkan oleh radiasi matahari yang tinggi, sehingga lokasi peternakan sapi perah FH di Indonesia akan lebih baik jika berada pada ketinggian di atas 800 m d.p.l. Selain radiasi, produksi panas hewan yang berupa panas laten dan panas sensibel (Esmay, 1960), tinggi, luas, bahan atap dan bukaan ventilasi yang kurang tepat merupakan penyebab naiknya suhu dan kelembaban udara dalam kandang sapi perah (Soegijanto, 1999). Salah satu upaya untuk menurunkan suhu dan kelembaban udara di dalam kandang yaitu dengan sistem ventilasi agar terjadi pertukaran udara di dalam dan luar kandang dengan baik sehingga panas dalam kandang dapat diminimalisir. Pada ventilasi alamiah, pertukaran udara terjadi jika ada perbedaan tekanan melalui bukaan bangunan dan angin. Luas bukaan ventilasi sangat mempengaruhi pola aliran dan distribusi udara dalam kandang yang dapat menentukan besarnya distribusi suhu dan kelambaban udara dalam kandang. Untuk memperoleh luas bukaan ventilasi (alamiah) yang menghasilkan distribusi suhu dan kelambaban udara dalam kandang yang baik, diperlukan analisis sifat dan pola aliran serta distribusi udara dalam kandang.

20 Pemecahan analisis aliran udara dalam kandang dapat dilakukan dengan Computational Fluid Dynamics (CFD). Metode CFD menggunakan analisis numerik yaitu kontrol volume sebagai elemen dari integrasi persamaan-persamaan yang terdiri atas persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi, sehingga penyelesaian persamaan untuk benda 2 (dua) atau 3 (tiga) dimensi lebih cepat dan dapat dilakukan secara simultan (Versteeg & Malalasekera, 1995). Tinggi dan lebar kandang, luas bukaan ventilasi kandang dapat diubah-ubah di dalam program simulasi untuk memperoleh distribusi suhu dan kelembaban udara yang lebih rendah dalam kandang sehingga biaya disain konstruksi kandang dapat dihemat dan tidak dilakukan dengan cara trial & error. Melalui teknik CFD dapat ditentukan disain kandang dengan tinggi, lebar, luas bukaan ventilasi kandang yang tepat sehingga diperoleh distribusi suhu dalam kandang yang lebih rendah dari kondisi awal (sebelum dilakukan simulasi). Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Menganalisis distribusi suhu dan kelembaban udara pada kandang sapi perah FH di daerah beriklim tropika basah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD).. 2. Melakukan simulasi tinggi dan luas kandang sapi perah FH (dua arah angin) untuk mendapatkan distribusi suhu dalam kandang sapi perah FH yang lebih baik. 3. Merekomendasikan disain kandang yang lebih baik bagi sapi perah FH di daerah beriklim tropika basah (tinggi, luas, bukaan ventilasi kandang dan posisi penampung air).

21 TINJAUAN PUSTAKA Produksi Panas Hewan Dalam Kandang Ternak menghasilkan sejumlah panas metabolisme tergantung dari tipe ternak yaitu bobot badan, jumlah makanan yang dikonsumsi dan kondisi lingkungan mikro. Panas yang dihasilkan dalam kandang harus diprediksi untuk mendisain sistem kontrol lingkungan. Panas yang dihasilkan dan kemudian dilepas oleh tubuh hewan terdiri atas panas sensibel (sensible heat) dan panas laten (latent heat). Panas sensibel dan panas laten yang dihasilkan oleh hewan dalam kandang merupakan komponen kritis keseimbangan panas untuk kondisi setimbang dalam struktur kandang (Esmay, 1960). Kehilangan panas pada lingkungan kandang akan meningkat seiring dengan menurunnya bobot badan hewan pada kondisi temperatur lingkungan kandang yang semakin menurun. Produksi panas yang berhubungan dengan bobot badan hewan akan memperlihatkan penurunan kehilangan panas (heat loss) dengan peningkatan bobot badan. Sebagai contoh sapi dengan bobot kg menghasilkan panas 2 W/kg, lebih kecil dibandingkan dengan domba bobot 50 kg yang menghasilkan panas 3-4 W/kg dan unggas dengan bobot 2 kg menghasilkan 6 W/kg (Esmay and Dixon 1986). Produksi panas sapi perah dengan bobot kg pada beberapa suhu dapat dilihat pada Tabel 1. Dari tabel 1 dapat dilihat bahwa kenaikan suhu kandang akan menurunkan total panas yang diproduksi oleh sapi perah. Kondisi ini menunjukkan bahwa ternak (sapi perah) akan mempertahankan panas tubuhnya sesuai dengan keadaan suhu lingkungannya. Tabel 1 Produksi panas sapi perah (bobot badan kg) Suhu ( o C) Panas laten (W) Panas sensible (W) Total panas (W) 4,44 278,4 766, ,00 322,4 674, ,56 392,7 556, ,11 410,3 498, ,67 556,8 293,1 849 Sumber : Esmay and Dixon (1986 )

22 Perolehan panas dari luar tubuh (heat gain) akan menambah beban panas bagi ternak, bila suhu udara lebih tinggi dari suhu nyaman. Sebaliknya, akan terjadi kehilangan panas tubuh (heat loss) apabila suhu udara lebih rendah dari suhu nyaman. Perolehan dan penambahan panas tubuh ternak dapat terjadi secara sensible melalui mekanisme radiasi, konduksi dan konveksi. Pada saat suhu udara lebih tinggi dari suhu nyaman ternak, jalur utama pelepasan panas hewan terjadi melalui mekanisme evaporative heat loss dengan jalan melakukan pertukaran panas melalui permukaan kulit (sweating) atau melalui pertukaran panas di sepanjang saluran pernapasan (panting) (Purwanto, 1993) dan sebagian melalui feses dan urin (McDowell, 1972). Suhu Efektif Suhu efektif adalah suhu yang dimanfaatkan oleh ternak untuk kehidupannya, dipengaruhi oleh suhu dan kelembaban udara (RH), radiasi matahari dan kecepatan angin (West, 1994). Suhu efektif dapat memperlihatkan tingkat kenyamanan dan stress bagi sapi perah. Hubungan suhu efektif dengan paremeter iklim mikro ditunjukkan pada beberapa persamaan berikut (Yamamoto, 1983): (1) hubungan suhu efektif dengan suhu bola basah dan bola kering; (2) hubungan suhu efektif dengan suhu bola kering (suhu tubuh sapi) dan kecepatan angin; (3) hubungan suhu efektif dengan suhu bola kering (suhu pernafasan) dan kecepatan angin; (4) hubungan suhu efektif dengan suhu bola kering dan radiasi matahari; (5) hubungan suhu efektif dengan suhu bola basah dan suhu udara lingkungan. ET = 0,35DBT + 0, 65WBT... (1) ET = DBTb 6 AM... (2) ET = DBTp 10 AM... (3) ET = DBT + 11RD... (4) ET = 0,57DBT + 0, 43GT... (5)

23 Pengaruh Suhu dan Kelembaban Udara Terhadap Sapi Perah FH Suhu dan kelembaban udara merupakan dua faktor iklim yang mempengaruhi produksi sapi perah, karena dapat menyebabkan perubahan keseimbangan panas dalam tubuh ternak, keseimbangan air, keseimbangan energi dan keseimbangan tingkah laku ternak (Hafez, 1968; Esmay, 1978). McDowell (1974) menyatakan bahwa untuk kehidupan dan produksinya, ternak memerlukan suhu lingkungan yang optimum. Zona termonetral suhu nyaman untuk sapi Eropa berkisar o C (Hafez, 1968); o C (McDowell, 1972); 4 25 o C (Yousef, 1985), 5 25 o C (Jones & Stallings, 1999). Bligh dan Johnson (1985) membagi beberapa wilayah suhu lingkungan berdasarkan perubahan produksi panas hewan, sehingga didapatkan batasan suhu yang nyaman bagi ternak, yaitu antara batas suhu kritis minimum dengan maksimum (Gambar 1). Hubungan besaran suhu dan kelembaban udara atau biasa disebut Temperature Humidity Index (THI) yang dapat mempengaruhi tingkat stres sapi perah dapat dilihat pada Tabel 2. Sapi perah FH akan nyaman pada nilai THI di bawah 72. Jika nilai THI melebihi 72, maka sapi perah FH akan mengalami stres ringan (72 THI 79), stres sedang (80 THI 89) dan stres berat ( 90 THI 97) (Wierema, 1990). Gambar 1 Diagram produksi panas sapi perah pada beberapa suhu lingkungan

24 Tabel 2 Indeks suhu dan kelembaban relatif untuk sapi perah Kelembaban relatif (%) o C , , , , , , , , Stres Ringan 46, Stres Sedang 48, Stres Berat Sumber : Wierama (1990) Untuk sapi perah FH, penampilan produksi terbaik akan dicapai pada suhu lingkungan 18,3 o C dengan kelembaban 55%. Bila melebihi suhu tersebut, ternak akan melakukan penyesuaian secara fisiologis dan secara tingkah laku (behaviour). Secara fisiologis ternak atau sapi FH yang mengalami cekaman panas akan berakibat pada : 1) penurunan nafsu makan; 2) peningkatan konsumsi minum; 3) penurunan metabolisme dan peningkatan katabolisme; 4) peningkatan pelepasan panas melalui penguapan; 5) penurunan konsentrasi hormon dalam darah; 6) peningkatan temperatur tubuh, respirasi dan denyut jantung (McDowell, 1972); dan 7) perubahan tingkah laku (Ingram & Dauncey, 1985) dan 8) meningkatnya intensitas berteduh sapi (Combs, 1996). Respons fisiologis sapi FH akibat cekaman panas dapat dilihat pada Tabel 3 dan Tabel 4. Cekaman panas dapat direduksi dengan menurunkan suhu tubuh sapi FH melalui penyemprotan air dingin ke seluruh permukaan tubuh (Shibata, 1996). Hasil simulasi menunjukkan bahwa penurunan suhu lingkungan mikro (sekitar kandang) sebesar 5 o C dapat meningkatkan produksi susu sapi FH sebesar 10 kg/hari yaitu dari 35 kg/hari menjadi 45 kg/hari (Berman, 2005). Perubahan suhu pada kandang dapat mempengaruhi perubahan denyut jantung dan frekuensi pernapasan sapi FH. Denyut jantung sapi FH yang sehat pada daerah nyaman (suhu tubuh 38,6 o C) adalah kali/menit dengan frekuensi nafas kali/menit (Ensminger, 1971). Reaksi sapi FH terhadap

25 perubahan suhu yang dilihat dari respons pernapasan dan denyut jantung merupakan mekanisme dari tubuh sapi untuk mengurangi atau melepaskan panas yang diterima dari luar tubuh ternak. Peningkatan denyut jantung merupakan respons dari tubuh ternak untuk menyebarkan panas yang diterima ke dalam organ-organ yang lebih dingin (Anderson, 1983). Tabel 3 Suhu rektal, denyut jantung dan frekuensi pernapasan sapi FH Parameter Sumber Suhu lingkungan Suhu rektal ( o C) 1 2 Denyut jantung (kali per menit) 1 2 Pernapasan (kali per menit) 1 2 Netral Cekaman Sumber : 1) Kibler (1962). Sapi FH dengan suhu netral 21.6 o C dan suhu cekaman 32.2 o C. 2) Purwanto (1993). Sapi FH dengan suhu netral 15 o C dan suhu cekaman 30 o C. Tabel 4 Produksi susu, volume urine, konsumsi air minum, konsumsi pakan sapi FH pada suhu berbeda Parameter Produksi susu (kg/hari) Volume urine Konsumsi minum (kg/hari) Konsumsi konsentrat (kg/hari) Konsumsi hay (kg/hari) Sumber : McDowell (1972) Suhu 18 o C 30 o C Pindah Panas dan Massa pada Kandang Sapi Perah FH Bangunan perkandangan akan mendapatkan perolehan dan kehilangan panas dan massa dari dan ke lingkungan sekitarnya melalui proses perpindahan panas dan massa secara konduksi, konveksi dan radiasi. Perpindahan panas konduksi terjadi melalui dinding dan atap bangunan dengan arah masuk dan keluar bangunan termasuk konduksi panas dari dan ke dalam tanah. Perpindahan panas dan massa secara konveksi terjadi karena aliran udara yang masuk dan keluar melalui bukaan ventilasi. Perpindahan panas radiasi gelombang pendek

26 dari radiasi matahari dan refleksinya serta difusivitasnya selalu memiliki nilai positif. Perpindahan panas radiasi gelombang panjang adalah radiasi yang dipancarkan oleh permukaan bangunan dan yang diterima dari lingkungan di sekitar bangunan. Panas lainnya yang ditimbulkan oleh penghuni atau peralatan yang ada di dalam kandang juga harus dapat diperhitungkan (Soegijanto, 1999). Perpindahan panas radiasi gelombang panjang terjadi antara ternak (sapi perah FH) dengan lingkungan di sekitarnya melalui kulit sapi FH yang dominan berwarna putih atau hitam. Perpindahan panas radiasi gelombang panjang pada ternak dengan lingkungannya terjadi karena ternak mengeluarkan panas tubuhnya melalui permukaan kulit dan saluran pernafasan (Esmay dan Dixon, 1986). Perpindahan panas secara konveksi pada kandang sapi perah FH di lingkungan tropika basah terjadi pada atap bangunan kandang, sapi perah, lantai, serta bangunan penopangnya seperti dinding, kerangka dan peralatan lainnya. Keseimbangan panas di permukaan lantai pada bangunan perkandangan ternak sapi perah FH meliputi radiasi gelombang panjang dari lantai ke atap, pindah panas konveksi dari permukaan lantai ke udara dalam kandang, dan pindah panas konduksi dari permukaan lantai ke lapisan di bawahnya atau sebaliknya. Keseimbangan panas di udara dalam kandang sapi perah lebih mudah dihitung karena proses pindah panas terjadi secara konveksi dari penutup (atap) kandang ke udara dalam kandang terjadi secara alami dan melalui bukaan ventilasi baik masuk maupun keluar (Esmay dan Dixon, 1986). Perpindahan panas konveksi dipengaruhi oleh koefisien konveksi udara, kecepatan angin dan suhu lingkungan. Semakin besar nilai koefisien konveksi dan kecepatan angin, maka akan semakin cepat keseimbangan panas dalam ruangan konveksi. Perpindahan panas secara konduksi terjadi pada penutup (atap) kandang sapi FH, dinding bangunan, kerangka bangunan, ternak (sapi FH), air minum sapi FH, tubuh sapi FH. Perpindahan panas konduksi sangat dipengaruhi oleh konduktivitas bahan dan suhu lingkungan. Semakin besar nilai konduktivitasnya, bahan tersebut semakin cepat merambatkan panas (Esmay dan Dixon, 1986).

27 Distribusi Suhu dan Kelembaban Udara pada Kandang Sapi Perah FH Distribusi suhu dan kelembaban udara (RH) pada kandang sapi perah FH dipengaruhi oleh luas dan tinggi bangunan, jumlah ternak, suhu lingkungan, sistem ventilasi, radiasi matahari, peralatan peternakan, kecepatan angin, pergerakan udara di sekitar bangunan. Pada bangunan pertanian (greenhouse), faktor desain yang sangat menentukan distribusi suhu dan kelembaban udara adalah dimensi bangunan, posisi dinding atau atap ventilasi, sudut pembukaan ventilasi, jumlah span dan sebagainya (Boutet, 1987). Pertukaran udara dalam kandang sapi perah dipengaruhi oleh besarnya suhu lingkungan, produksi panas hewan, kelembaban, konsentrasi gas dalam kandang, jenis bahan atap bangunan, pindah panas dari lantai, sistem dan luasan ventilasi, luas dan tinggi bangunan kandang (Hellickson dan Walker, 1983). Pindah panas pada kandang sapi perah dapat terjadi secara radiasi, konveksi maupun konduksi (Wathes dan Charles, 1994) yang mengakibatkan adanya distribusi suhu dalam kandang. Pindah panas secara radiasi dipengaruhi oleh besarnya radiasi matahari atau bahan, kecepatan angin dan suhu lingkungan. Pindah panas pada bahan bangunan kandang dipengaruhi oleh konduktivitas bahan, tebal bahan dan waktu, sedangkan secara konveksi sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan, kecepatan angin, waktu dan luasan daerah konveksi. Analisis distribusi suhu dalam bangunan pertanian dapat dilakukan dengan perhitungan besarnya pindah panas dan massa pada bangunan melalui sistem ventilasi sehingga menghasilkan aliran udara yang baik di dalam kandang. Pemecahan analisis aliran udara pada kandang sapi perah (bangunan pertanian) dalam 2 atau 3 dimensi dapat dilakukan dengan metode finite element, metode finite difference (Cheney dan Kincaid, 1990), metode spectral dan finite volume dengan computational fluid dynamics atau CFD (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Metode finite difference menggambarkan φ yang tidak diketahui pada titik atau node di dalam garis grid. Untuk mendapatkan nilai aproksimasi φ digunakan deret ekspansi Taylor, sehingga menghasilkan persamaan aljabar untuk menghitung nilai φ pada tiap titik grid. Metode finite element menggunakan fungsi sederhana (linear/kuadrat) pada elemen untuk menggambarkan variabel aliran φ.

28 Fungsi pendugaan dimasukkan ke dalam persamaan atur, dan hasilnya terdapat residual untuk perhitungan error. Selanjutnya error dikalikan dengan fungsi pembobot dan diintegralkan. Hasilnya didapatkan persamaan aljabar yang lebih mudah untuk dipecahkan. Metode spektral menduga variabel yang tidak diketahui menggunakan deret Fourier atau deret polinomial Chebyshev. Pendekatan pendugaannya secara menyeluruh pada semua domain perhitungan (tidak per titik). Terdapat residual dan fungsi pembobot seperti metode finite element. Metode finite volume dikembangkan dari finite difference khusus dan dapat diaplikasikan pada kode CFD (FLUENT, PHOENICS, FLOW3D dan STAR-CD). Algoritma numeriknya terdiri atas beberapa tahapan sebagai berikut : (1) integrasi persamaan atur sepanjang volume kontrol domain perhitungan; (2) diskretisasi yang meliputi substitusi berbagai tipe aproksimasi finite difference sehingga menghasilkan persamaan aljabar (tahapan kunci); (3) penyelesaian persamaan aljabar dengan metode iterasi. Ventilasi Ventilasi pada bangunan pertanian digunakan untuk mengendalikan suhu, kelembaban udara, kotoran ternak dan pergerakan udara sehingga kondisi lingkungan mikro yang dibutuhkan ternak dapat terpenuhi. Ventilasi terjadi jika terdapat perbedaan tekanan udara. Ventilasi dengan tekanan udara tertentu dapat mempengaruhi kecepatan pergerakan udara, arah pergerakan, intensitas dan pola aliran serta rintangan setempat (Takakura, 1979). Laju ventilasi diukur dengan satuan massa udara per unit waktu (Mastalerz, 1977). Laju ventilasi minimum pada kandang biasanya didasarkan pada kebutuhan pergerakan udara untuk kontrol kelembaban (Esmay, 1986). Di daerah tropis seperti Indonesia, ventilasi bangunan kandang yang biasanya digunakan adalah ventilasi alami karena dapat menekan biaya dan tenaga kerja dibandingkan dengan ventilasi lainnya. Ventilasi alami terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara akibat faktor angin dan faktor termal. Faktor angin dan termal ini dimanfaatkan untuk menggerakkan udara dan menentukan laju ventilasi alami yang terjadi. Laju ventilasi alami memiliki hubungan yang linier dengan kecepatan udara dan tergantung pada perbedaan tekanan udara yang ditimbulkan oleh perbedaan temperatur lingkungan (Takakura, 1979). Laju

29 pertukaran udara dipengaruhi oleh total luas bukaan, arah bukaan, kecepatan angin dan perbedaan temperatur di luar dan di dalam kandang (Mastalerz, 1977). Kontrol manual sistem ventilasi alami dapat dilakukan dengan pembukaan dan penutupan lubang ventilasi serta pengaturan bukaan pada dinding (Takakura, 1979). Pengaturan ventilasi alami agar tetap kontinyu sulit dilakukan karena dipengaruhi oleh temperatur, kecepatan dan arah angin yang tidak mudah dikendalikan. Efek Angin dan Efek Termal Efek angin digolongkan menjadi dua komponen, yaitu efek turbulen dan efek steady. Efek steady terjadi karena pada saat angin bertiup di atas dan di sekeliling bangunan. Pergerakan angin ini dapat membangkitkan perbedaan tekanan pada lokasi yang berbeda yang menghasilkan distribusi tekanan pada bangunan. Distribusi tekanan di sekitar bangunan dinyatakan sebagai distribusi dari koefisien tekanan. Apabila koefisien tekanan bernilai positif maka akan terjadi aliran udara masuk (inflow) melalui bukaan pada bangunan. Apabila koefisien tekanan bernilai negatif maka akan terjadi aliran udara keluar dari bangunan (outflow). Efek turbulen terjadi karena kecepatan angin tidak bersifat statis melainkan bervariasi secara kontinyu yang menghasilkan fluktuasi tekanan. Efek termal timbul dari perbedaan temperatur di dalam dan di luar kandang (Bockett & Albright, 1987). Konveksi panas dari atap dan material penyusun kandang dapat meningkatkan temperatur udara dan menurunkan kerapatan udara dalam kandang sehingga mengakibatkan perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar kandang yang pada akhirnya terjadi aliran udara keluar masuk kandang melalui bukaan. Akibat faktor termal, terdapat suatu bidang pada bukaan kandang dimana tidak terjadi aliran udara karena tekanan udara di dalam dan di luar kandang besarnya sama. Bidang ini disebut bidang tekanan netral. Posisi bidang tekanan netral memberikan gambaran bukaan yang berfungsi sebagai saluran masuk dan saluran keluarnya udara. Pada bagian bawah bidang tekanan netral, tekanan udara luar lebih tinggi daripada tekanan udara di dalam kandang sehingga terjadi aliran udara masuk ke dalam kandang. Pada bagian di atas bidang tekanan netral,

30 tekanan udara di dalam lebih tinggi dari tekanan udara di luar sehingga terjadi aliran udara keluar (Brockett & Albright, 1987). Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu analisis sistem yang meliputi aliran fluida, pindah panas dan massa, serta fenomena lain seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi berbasis komputer. CFD telah digunakan sejak tahun 1960 untuk mendesain mesin jet dan aircraft. CFD merupakan pemanfaatan komputer untuk memprediksi secara kuantitatif apa yang terjadi pada saat fluida mengalir sehingga prediksi aliran fluida pada berbagai sistem dapat dilakukan dengan biaya murah dan waktu relatif singkat dibandingkan dengan metode eksperimen. Untuk memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu, program CFD harus dapat menyelesaikan persamaan yang mengatur aliran fluida sehingga pemahaman tentang sifat-sifat dasar aliran fluida sangat penting. Persamaan pengatur aliran fluida adalah persamaan differensial parsial dan komputer digital tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut secara langsung sehingga persamaan tersebut harus ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar sederhana dengan metode diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Ada beberapa teknik distritisasi yang digunakan dan masing-masing memiliki prinsip yang berbeda seperti : 1) metode beda hingga (finite different methode); 2) metode elemen hingga (finite element methode) dan 3) metode volume hingga (finite volume methode). Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial, dalam koordinat kartesian dan dipecahkan dengan teknik CFD (tiga dimensi) berdasarkan analisis numerik menggunakan metode volume hingga (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Persamaan diskrit yang dihasilkan dari persamaan diferensial umumnya dalam bentuk implisit. Pada persamaan implisit, satu set pernyataan simultan atas banyak persamaan individual dihasilkan, dan persamaan tersebut harus diselesaikan dengan persamaan tertentu dan salah satunya menggunakan iterasi. Proses iterasi adalah membuat sebuah tebakan nilai variabel-variabel yang

31 terdapat pada implisit. Iterasi terus dilakukan sampai selisih antara ruas kiri dengan ruas kanan persamaan mendekati nol (konvergen). Untuk menyelesaikan persamaan diferensial diperlukan boundary condition dan initial condition seperti kecepatan, tekanan, variabel turbulensi. Kondisi batas pada inlet, outlet, bukaan ventilasi, dan material penyusun kandang harus memiliki acuan dalam penyelesaian persamaan diferensial parsial. Dalam simulasi aliran fluida, jenis grid yang digunakan menjadi suatu hal yang sangat diperhatikan. Kompleksitas domain aliran, ketersediaan program solver dan numerical diffusion (suatu kesalahan diskritisasi yang dapat timbul jika grid tidak sejajar dengan arah aliran) menjadi pertimbangan dalam penentuan jenis grid yang akan digunakan. Ada beberapa software yang digunakan dalam CFD untuk menyelesaikan permasalahan aliran udara pada kandang sapi perah FH yaitu software Fluent , Gambit dan Auto CAD Penggunaan software Auto CAD untuk mempermudah penggambaran geometri kandang sebelum diproses lebih lanjut dalam software Gambit (pembuatan mesh dan penentuan kondisi batas geometri kandang yang akan disikulasikan).adapun sofware Fluent digunakan untuk analisis distribusi suhu dan pola alirannya. Software Fluent telah banyak beredar di pasaran dan telah banyak digunakan untuk analisis pola aliran udara dan distribusi suhu pada berbagai kondisi dengan tingkat validasi yang tinggi. Pada pemecahan masalah aliran dan distribusi fluida dua fase atau lebih seperti kelembaban relatif (udara dan uap air) software Fluent belum dapat digunakan sehingga diperlukan teknik perhitungan untuk menentukan besarnya kelembaban relatif (RH) yang terdistribusi dalam kandang. Perhitungan distribusi RH dalam kadang didasarkan pada terjadinya proses pemanasan dalam kandang akibat panas konveksi dari atap dan material bahan penyusun kandang, dimana kondisi tekanan uap dan kelembaban mutlak tetap dan tidak terjadi penambahan uap air pada kondisi kandang kosong. Simulasi Simulasi adalah teknik penyusunan dari kondisi nyata (sistem) dan kemudian melakukan percobaan pada model yang dibuat dari sistem. Simulasi merupakan alat yang fleksibel dari model atau kuantitatif. Simulasi cocok

32 diterapkan untuk menganalisa interaksi masalah yang rumit dari sistem. Simulasi berguna untuk mengetahui pengaruh atau akibat suatu keputusan dalam jangka waktu tertentu (Avissar, et.all., 1982). Dalam melakukan simulasi, terlebih dahulu harus dibuat model yang akan dijadikan acuan untuk melakukan simulasi agar diperoleh nilai ekonomis, efektif, mudah, resiko kecil. Kriteria umum agar model simulasi efektif adalah : 1) model simulasi dapat memprediksi proses fisik dan fisiologi dalam sistem dengan ketepatan yang masuk akal dan dapat dibuktikan dengan percobaan; 2) model simulasi bersifat umum dan cukup fleksibel untuk diaplikasikan pada sistem tertentu yang memiliki kondisi lingkungan yang beragam. Untuk mengetahui kriteria tersebut, parameter lingkungan yang digunakan adalah kondisi batas yang mudah diukur dan tidak dipengaruhi oleh keberadaan sistem. Skala waktu, parameter, initial condition dapat dengan mudah diubah-ubah, serta dapat dengan mudah menyelesaikan persamaan-persamaan yang tidak linier dan dapat mengkaji sistem secara utuh (Avissar, et.all., 1982). Simulasi dapat dilakukan dengan pembuatan model persamaan matematika, program komputer, atau pembuatan model prototipe sehingga sistem yang akan disimulasikan dapat terwakili oleh model yang disimulasikan. Simulasi analisis distribusi suhu dan kelembaban udara (RH) pada kadang sapi perah FH dapat dilakukan dengan persamaan matematika, dan program komputer. Parameter yang harus diperhitungkan dalam simulasi analisis distribusi suhu dan kelembaban udara (RH) pada kandang sapi perah antara lain suhu lingkungan, suhu udara dalam kandang, suhu tanah, radiasi matahari, kecepatan angin, sistem dan besaran ventilasi, bahan-bahan bangunan (konduktivitas panas, emisivitas, koefisien pindah panas, absorpsivitas), suhu diurnal ternak (sapi perah) seperti suhu kulit, rektal, pernafasan (Esmay dan Dixon, 1986). Simulasi distribusi parameter iklim mikro seperti suhu, kelembaban, kecepatan angin, sudut datang radiasi matahari telah banyak dilakukan pada bangunan pertanian terutama greenhouse baik menggunakan persamaan-persamaan matematika, program komputer maupun model atau prototipe.

33 PENDEKATAN TEORITIS Teknik Simulasi Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) Pola distribusi suhu dan kelembaban udara relatif (RH) pada suatu ruangan tertentu dapat dianalisis menggunakan CFD. Dalam CFD, pola aliran udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan melalui persamaan diferensial berupa koordinat cartesian. Pemecahan secara matematik dalam CFD dilakukan melalui analisis numerik tiga dimensi dengan metode volume hingga melalui diskretisasi dan iterasi. Analisis distribusi dan simulasi suhu dan RH pada kandang sapi FH dalam CFD dapat dilakukan dengan menggunakan software gambit (meshing dan boundary condition) dan fluent 6.2 (mendefinisikan model 3D, pemakaian energi, viscous model, jenis material dan sifat termofisik fluida, input nilai boundary condition, inisialisasi, iterasi dan visualisasi). Computational Fluid Dynamics (CFD) mengandung 3 komponen utama, yaitu : pre-processor, solver dan post-processror (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Pre-processor Komponen pre-processor merupakan komponen input dari permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator, berfungsi sebagai transformer input berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Pada tahapan pre-processor, dapat dilakukan hal-hal sebagai berikut: 1) mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki (perhitungan domain); 2)pembentukan grid (mesh) pada setiap domain; 3) pemilihan fenomena kimia dan fisik yang dibutuhkan; 4) menetukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, panas jenis, massa jenis dan sebagainya); 5) menentukan kondisi batas yang sesuai dengan keperluan. Ketepatan aliran dalam geometri yang dibentuk dalam CFD ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid yang dibangun. Semakin besar jumlah sel, ketepatan atau ketelitian dari hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak harus selalu seragam, dapat dilakukan dengan memperhalus mesh pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak mengalami perubahan.