III METODOLOGI PENELITIAN

Transkripsi

1 23 III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu, Tempat, Bahan, dan Alat Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Desember 2010 sampai Mei Pengukuran dilakukan di rumah tanaman Standar Peak Leuwikopo, Lab. LBP Teknik Mesin dan Biosistem IPB, sealan dengan pengambilan data penelitian Rekayasa Lingkungan Thermal Larutan Nutrisi pada Budidaya Tanaman Tomat secara Hidroponik oleh (Suhardiyanto dkk. 2010). Hal ini merupakan waktu yang dianggap strategis karena pengambilan data dilakukan tepat pada saat dimana kondisi rumah tanaman terdapat aktivitas pertumbuhan tanaman. Alat dan bahan yang digunakan adalah: 1. empat unit alat hidroponik NFT. 2. dua set Exhaust fan tipe strong axial blower dengan spesifikasi power 200 Watt, 220 volt, cycles 50 Hz dan 1400 r.p.m. 3. anemometer. 4. weather station. 5. hybrid recorder merk Yokogawa tipe MV Advance thermokopel. 7. meteran. 8. pyranometer merek EKO tipe MS benih tomat dataran tinggi. 10. larutan nutrisi berupa campuran air dengan ABmix. 11. tali air. 12. bahan perekat. Weather station terdiri dari sensor kecepatan dan arah angin (anemometer), sensor suhu dan kelembapan (pshychrometer), sensor radiasi matahari (pyranometer), dan sensor curah huan (typing bucket precip gauge). Satuan unit masing-masing parameter adalah suhu dalam satuan C, RH dalam persen, kecepatan angin dalam ms -1, arah angin dalam deraat, radiasi matahari dalam Wm -2 dan curah huan dalam mm/hari.

2 24 Pengembangan simulasi distrubusi suhu dan pola pergerakan udara pada rumah tanaman dilakukan di Laboratorium Computer Center IPB, dengan menggunakan alat berupa: 1. perangkat lunak Solidworks lisensi IPB yang sudah terintegrasi dengan flow simulation. 2. satu set PC dengan spesifikasi CPU Intel Core i7, memory RAM 8 GB, Display VGA 3 GB, dan hardisk 1.6 TB. Dengan spesifikasi tersebut, diharapkan PC dapat melakukan proses iterasi secara maksimal, sehingga hasil yang diperoleh lebih optimal. 3.2 Rona Lingkungan Rumah Tanaman Rona lingkungan lokasi penelitian dideskripsikan oleh kondisi topografi dan iklim lingkungan rumah tanaman yang menadi obek penelitian. Rumah tanaman yang menadi obek penelitian berlokasi di Lab. Lapangan Leuwikopo IPB, yang terletak pada titik LS dan BT (app. googlemaps), dengan elevasi sekitar m di atas permukaan laut. Oleh karena itu, secara umum wilayah Leuwikopo Kec. Dramaga tergolong ke dalam wilayah dataran rendah. Kondisi topografi lapangan berbentuk datar bergelombang dan sebelah selatan lereng karena berbatasan dengan sungai. Kondisi curah huan di wilayah Dramaga mencapai mm/tahun dengan suhu udara rata-rata sekitar C dan kelembaban udara sekitar % (Pusmairini, 2010). Gambar 6. Arah angin dan titik lokasi rumah tanaman tampak atas.

3 25 Selanutnya data arah angin dan kecepatan angin akan disaikan sebagai data sekunder dan akan digunakan sebagai parameter input simulasi, yaitu data dari BMKG Dramaga sepanang tahun 2010 yang disaikan pada Lampiran Prosedur Kera Penggambaran geometri rumah ranaman dan parameter input dalam simulasi akan didasarkan pada dimensi dan data aktualnya agar dapat memudahkan proses validasi hasil simulasi. Data yang diukur mencakup iklim makro dan iklim mikro di dalam rumah tanaman serta geometri konstruksi rumah tanaman. Iklim makro merupakan kondisi lingkungan di sekitar rumah tanaman dengan parameter yang diukur berupa: 1) kecepatan dan arah angin, 2) suhu lingkungan, 3) radiasi matahari, 4) tekanan udara, dan 5) kelembaban udara. Iklim mikro mewakili kondisi lingkungan sekitar tanaman di dalam rumah tanaman dengan parameter yang diukur berupa: 1) sebaran suhu, 2) radiasi matahari, 3) kelembaban udara, 4) kecepatan udara pada daerah sekitar blower. Selain itu, uga dilakukan pengukuran dimensi dan pendefinisian bahan konstruksi rumah tanaman secara menyeluruh yang meliputi: 1) luasan dan tinggi bangunan, 2) kemiringan atap, 3) ketebalan bahan, 4) luasan ventilasi, 5) mesh dinding kassa GH, 6) emisivitas bahan konstruksi rumah tanaman, 7) konduktivitas panas bahan, 8) diameter blower.

4 26 Pengkaian model atau simulasi dengan menggunakan CFD secara garis besar terdiri dari tiga proses kera utama (Gambar 7), yaitu pra-pemrosesan (prepocessing), pencarian solusi (solving), dan pasca-pemrosesan (postprocessing). Tahap preprocessing diawali dengan pembuatan geometri, dimana dimensi model rumah tanaman digambarkan 1:1 terhadap dimensi yang sebenarnya di lapangan. Selain itu, hal penting dalam tahap preprocessing adalah mendefinisikan faktor fisik lingkungan sekitar rumah tanaman seperti turbulensi, arah dan kecepatan angin, radiasi surya dan nilai porous media. Tahapan penting lainnya adalah pendefinisian batasan kondisi yang menunukkan kondisi awal sebagai nilai input besaran parameter untuk perhitungan dalam simulasi. Nilai karakteristik fluida seperti densitas dan kelembaban udara uga suhu awal udara merupakan parameter input yang penting dalam perhitungan. Prapemrosesan 1. Pembuatan geometri. 2. Pendefinisian faktor fisik. 3. Pendefinisian kondisi batas. 4. Pendekatan numerik (finite volume method). 5. Buat grid/meshing terstruktur tetrahedral. Pencarian solusi Pasca pemrosesan 1. Plot kontur 2. Plot vektor 3. animasi Gambar 7. Proses kera utama simulasi CFD. Tahapan selanutnya yaitu menentukan metode pendekatan solusi numerik yaitu dengan pendekatan kontrol volume hingga atau lebih dikenal dengan finite volume method (FVM) yang berbasis grid-center atau nilai pada titik pusat dari masing-masing grid. Pendekatan FVM digunakan untuk melakukan proses diskritisasi dalam pembuatan grid/ meshing agar komputer dapat menyelesaikan perhitungan-perhitungan dengan mudah dari persamaan-persamaan dinamika fluida yang kompleks. Grid yang dibuat berupa grid yang terstruktur berbentuk tetrahedral dengan besar volume yang beragam. Proses selanutnya adalah solving yaitu pencarian solusi dengan penyelesaian persamaan atur dinamika fluida yang telah didiskritisasi. Penyelesaian persamaan yang sudah didiskritisasi berbasis pada gradien atau

5 27 perbedaan nilai di titik pusat grid hingga mencapai kondisi yang konvergen. Konvergensi menunukkan stabilitas atau konsistensi dari hasil perhitungan pada setiap tahap iterasi. Oleh karena itu, lamanya waktu perhitungan yang dilakukan oleh CPU (CPU time) pada proses solving dapat dilihat dari konvergensi iterasi. Proses akhir dari simulasi adalah postprocessing, yaitu proses penyaian data hasil simulasi yang dapat berupa plot kontur, plot garis, plot vektor dan animasi. Plot kontur, plot garis dan plot vektor dapat menunukkan nilai distribusi sebaran dari setiap parameter yang dihitung, sedangkan animasi berfungsi untuk menunukkan dinamika dari setiap parameter yang dihitung, sehingga fenomena dinamika fluida dapat dengan mudah difahami secara visual dan mudah untuk dianalisa. Simulasi CFD dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks flow simulation memiliki prosedur kera yang cukup sederhana dan dapat dideskripsikan dengan diagram alir seperti yang terdapat pada Gambar 8. Prosedur kera tersebut merupakan tahapan yang harus dilakukan dalam setiap kali melakukan sebuah kasus simulasi, sehingga apabila simulasi yang dilakukan memiliki beberapa kondisi input data, maka prosedural pada Gambar 8 uga dilakukan berdasarkan umlah kondisi yang dialankan dalam simulasi. Namun, di sisi lain secara garis besar, simulasi distribusi suhu dan pola aliran udara di dalam rumah tanaman digolongkan menadi 3 simulasi utama, yaitu: 1. Simulasi penguian karakteristik komponen rumah tanaman yaitu pada dinding kasa. 2. Simulasi distribusi suhu dan aliran udara di dalam rumah tanaman pada saat tanaman masih kecil (pengukuran iklim rumah tanaman dilakukan pada tanggal 16 Juli 2010 dan diadikan sebagia data input dalam simulasi). 3. Simulasi distribusi suhu dan aliran udara di dalam rumah tanaman pada saat tanaman sudah dewasa (pengukuran iklim rumah tanaman dilakukan pada tanggal 23 Agustus 2010 dan diadikan sebagai data input dalam simulasi). Tahapan kera secara keseluruhan dari penelitian ini disaikan dalam bentuk diagram alir pada Gambar 9.

6 28 mulai Pembuatan CAD geometri Preprocessing tidak cek geometri oke Pendefinisian material geometri set kondisi awal tidak set domain, boundary condition dan goal setting diskritisasi dan iterasi Solving konvergen ya Plot kontur, animasi, grafik dan data Postprocessing selesai simpulan dan saran Gambar 8. Diagram alir simulasi CFD.

7 29 Mulai pengukuran data geometri GH Pendefinisian kondisi batas sesuai hasil pengukuran 1 Pengukuran 1 iklim mikro dan makro input paramater (T lingk, T surface GH, I, RH, v, arah angin) Pendekatan model dengan CFD A Budidaya tomat dengan sistem NFT Pengukuran 2 iklim mikro dan makro Optimasi mesh Validasi dengan hasil pengukuran 1 input paramater (T lingk, T surface GH, I, RH, v, arah angin) Tidak Akurat? Ya Pendekatan model dengan CFD Pendefinisian kondisi batas sesuai hasil pengukuran 2 Pendekatan model CFD dengan aktifitas pertumbuhan tanaman A Validasi dengan hasil pengukuran 2 Akurat? Tidak Optimasi mesh Ya Simpulan dan saran selesai Gambar 9. Tahapan kera penelitian.

8 Skema Pengukuran Pengukuran dilakukan pada dua fase pertumbuhan tomat yaitu pada fase vegetatif dan fase generatif. Pengukuran tersebut dilakukan secara kontinu dan bersamaan dengan interval waktu 30 menit selama 7x24 am pada setiap fase pertumbuhan tanaman. Namun untuk input simulasi hanya 1 waktu saa dari setiap fase yang diamati dan dianggap steady selama perhitungan didalam simulasi. Skema titik pengukuran di dalam rumah tanaman disaikan pada Gambar 10, sementara skema titik pengukuran secara lengkap disaikan pada Lampiran 2. depan Mesin belakang Jalur sirkulasi P Bak Penampung Keterangan Gambar: 1 = Nutrisi inlet. 2 = Nutrisi pada 3 m dari inlet. 3 = Nutrisi pada 3 m dari outlet. 4 = Nutrisi outlet. 5 = Nutrisi pada bak penampung. 6 = Udara di dalam bedeng NFT seauh 3 m dari inlet. 7 = Udara di dalam bedeng NFT seauh 3 m dari outlet. 8 = Dinding bedeng bagian luar. 9 = Dinding bedeng bagian dalam. 10 = Styrofoam = Udara di dalam greenhouse 2 m di atas lantai. 15 = Atap greenhouse. Gambar 10. Skema titik pengukuran suhu pada tiap bedeng NFT dan tampak samping di dalam rumah tanaman.

9 31 Suhu udara di dalam rumah tanaman diwakili oleh 8 buah titik pengukuran yang berbeda dan titik tersebut menadi sampel yang akan dibandingkan dengan nilai suhu hasil simulasi. Sementara itu, beberapa titik lainya menadi parameter input pada simulasi dan berpengaruh pada nilai suhu ruangan Analisis pindah panas yang teradi dalam sistem secara umum antara lain pindah panas secara konveksi dari fluida ke bahan penutup, dan secara konduksi dari pertukaran energi antar medium-medium berlainan yang bersinggungan secara langsung dan suhu yang berbeda. 3.5 Data Input Data input pada simulasi diambil dari hasil pengukuran satu waktu untuk fase vegetatif dan fase generatif yang kemudian dikatakan sebagai kondisi 1 dan kondisi 2, seperti disaikan pada Tabel 2. Sementara itu, nilai karakteristik udara lingkungan disaikan pada Tabel 3. Tabel 2 Data input kondisi awal dan kondisi batas Parameter Kondisi 1 2 Kondisi awal Suhu udara lingkungan ( C) RH lingkungan (%) Radiasi matahari (W m -2 ) Kecepatan udara (m s -1 ) pada y = 2 m y = 5.5 m Tanggal 16 Juli Agustus 2010 Pukul (WIB) 13:30 12:30 Kondisi batas Suhu atap ( C) Suhu lantai ( C) Suhu tembok ( C) Suhu kerangka ( C) Suhu bedengan ( C) Arah angin utara selatan

10 32 Tabel 3 Karakteristik udara lingkungan Parameter satuan Kuantitas Massa enis udara pada titik didih kg m Koefisien difusifitas masa m 2 s Viskositas dinamik Kg m -1 s x 10-5 Konduktifitas termal W m -1 K x Model Geometri Rumah Tanaman Bentuk dan dimensi geometri rumah tanaman dibuat mendekati kondisi nyata di lapangan. Namun, pada bagian bentuk atap yang bergelombang dianggap plat datar tetapi tidak merubah nilai karakteristik bahan, sehingga proses pindah panas baik secara konduksi maupun konveksi diharapkan tetap mendekati nilai aktualnya. Titik origin yang menadi acuan dalam penggambaran geometri terletak tepat pada posisi tengah bangunan geometri rumah tanaman di atas permukaan lantai. Sumbu x positif mengarah ke selatan, sedangkan sumbu y mengarah vertikal sekaligus merepresentasikan ketinggian ruang dan arah sumbu z mengarah ke arah barat. Sistem arah mata angin (pada gambar 6) yang diintegrasikan dengan arah sumbu koordinat (x, y, z) digunakan untuk menentukan arah angin sebagai input parameter kecepatan angin dalam simulasi. Geometri rumah tanaman untuk simulasi disaikan tampak trimetrik pada Gambar Gambar 11. Geometri rumah tanaman.

11 Pendekatan Numerik Berdasarkan prinsip yang diutarakan oleh Zhang (2005), bahwa persamaan dasar dalam CFD terdiri dari hukum kekekalan massa, momentum dan energi, maka pendekatan numerik untuk merepresentasikan prinsip kontinuitas massa dengan asumsi kondisi alirannya steady (Norton et al., 2007) dapat dituliskan dengan persamaan Navier-Stokes berikut: ( )...(6) dimana ρ merupakan massa enis fluida (kg m -3 ), t menunukkan waktu (detik), x adalah arak pada koordinat kartesian (m), u adalah kecepatan udara (m s -1 ), dan i, adalah indeks koordinat kartesian. Secara teoritis persamaan 6 menunukkan bahwa perubahan spesies massa pada fenomena aliran fluida teradi sealan dengan adanya pergerakan elemen massa fluida yang berubah terhadap waktu ke dalam suatu volume terbatas harus seimbang. Hukum kekekalan momentum yang ditemukan oleh Newton menyatakan bahwa: umlah aksi gaya eksternal pada partikel fluida sama dengan lau momentum secara linier (Norton et al., 2007), disaikan secara matematis pada persamaan (7). ( ) ( ) [ ( )]...(7) dimana p adalah tekanan (Pa), δ i merupakan delta Kronektor yang menunukkan perbedaan tekanan, µ adalah viskositas dinamik (kg m -1 s -1 ), dan g adalah kecepatan gravitasi (m s -2 ). Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika yang menyatakan bahwa lau perubahan energi partikel fluida sama dengan lau penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan lau kera yang diberikan pada partikel (Norton et al., 2007), dituliskan dalam persamaan (8). ( ) ( ) ( )...(8)

12 34 dimana, C a kapasitas panas spesifik (W kg -1 K -1 ), T adalah suhu (C), λ adalah konduktifitas panas (W m -1 K -1 ), dan s T adalah source atau sink panas (W m -3 ). Formulasi model persamaan untuk memprediksi pola aliran fluida yang melewati benda solid baik yang bersifat rigid maupun elastis, biasanya didekati dengan persamaan RANS (Reynold-Average Navier-Stokes). Persamaan tersebut mempertimbangkan prinsip kekekalan dan model turbulensi k-ε, dimana model ini hanya berlaku untuk fluida yang bersifat incompressible, viscous, isothermal, newtonian serta udara bergerak dalam kondisi steady 3D (Endalew et al., 2009). u ui x p x i x ui t x u u' i u' x i x Su,... (9) dimana µ t merupakan viskositas turbulensi (kg m -1 s -1 ), u' i u' x merepresentasikan nilai faktor difusi dan S u adalah nilai faktor momentum (kg m -2 s -2 ) yang bisa positif (source) maupun negatif (sink), tergantung dari sifat material yang dilewati oleh fluida. Sistem persamaan numerik yang dibangun dihitung dengan menggunakan metode finite control volume Model Aliran pada Kasa dan Tanaman Madoubi et al. 2009, melaporkan bahwa kecepatan udara u pada pendefinisian poros media dapat dilakukan dengan pendekatan model persamaan Darcy-Forchheimer (Pers. 10). Gaya tarikan yang disebabkan oleh kasa dan tanaman S dipengaruhi oleh sifat fluida berupa densitas udara (kg m -3 ) dan viskositas dinamik udara (kg s -1 m -1 ), serta sifat geometri kasa berupa permeabilitas poros K p (m 2 ) dan C F (non-dimensional) adalah kehilangan momentum. (( ) ( ) ).....(10) Kehilangan momentum non linier memiliki hubungan proporsional dengan densitas daun dan dapat digambarkan sebagai unit volume kanopi menggunakan bentuk yang lain, biasanya menggunakan rumus (Bruse, 1998):

13 35...(11) dimana I LAV (m 2 m -3 ) merupakan indeks luasan daun tiap satuan volume dan C D adalah drag coefficient atau resistansi udara pada kanopi tanaman. Untuk tanaman tomat yang sudah tinggi dan berbuah, Haxaire (1999) dalam Madoubi et al. (2009) telah menentukan nilai C D = 0.32, menggunakan wind tunnel Pendekatan Poros Media pada Tanaman Poros media pada tanaman didefinisikan sebagai kemampuan fluida atau dalam hal ini udara yang terlewatkan pada daerah sekitar tanaman. Rasio porositas adalah perbandingan antara volume yang mampu terlewatkan oleh fluida (void) terhadap volume total, dimana skema ilustrasi pendekatan nilai porositas pada tanaman ditunukkan pada Gambar 12. Fluid X 1 solid X 2 Gambar 12. Struktur porositas pada tanaman. Pada Gambar 12; struktur daun, batang dan bunga didefinisikan sebagai solid, dimana struktur tersebut tidak dapat ditembus oleh aliran udara. Sedangkan area selain itu merupakan area fluida yang mampu ditembus oleh udara sebagai fluida medium tanaman. Nilai x 1 merupakan

14 36 nilai maksimum tinggi tanaman, sedangkan nilai x 2 adalah nilai maksimum lebar tanaman. Pengukuran tinggi maksimum dan lebar maksimum tanaman diperoleh dari hasil binerisasi dan thresholding pengolahan citra digital. Selain itu, luasan area solid uga dihitung dengan metode pengolahan citra digital. Data citra digital yang diolah merupakan data sekunder tanaman tomat yang telah diteliti sebelumnya. Hal ini dapat dilakukan karena varietas tomat yang akan dibudidayakan untuk penelitian ini adalah sama dengan varietas tomat yang dibudidayakan pada penelitian sebelumnya, sehingga pendekatan nilai porositas tanaman untuk simulasi ini dengan data sekunder tersebut dapat ditolerir, dengan catatan asumsi umur tanaman pada simulasi harus sama dengan umur tanaman pada data sekunder tersebut. Porositas tanaman є didefinisikan dengan Persamaan (12) Jika diasumsikan bahwa kerapatan udara yang mengalir di dalam rumah tanaman bersifat konstan dan gaya gravitasi diabaikan, maka komponen vektor atau arah kecepatan udara bergerak dipengaruhi oleh nilai viskositas dinamik μ, permeabilitas κ dalam m 2, dan perubahan tekanan persatuan arak arah udara bergerak x i dalam m (Zienkiewicz et al., 2005). ( )... (13) Kesetimbangan momentum udara yang melintas diantara struktur tanaman dapat dituliskan dengan Persamaan 14. [ ( )] ( )... (14) dimana μ e adalah viskositas ekuivalen (kg m -1 s -1 ), p f adalah tekanan udara (Pa), g adalah gravitasi (m s -2 ) dan D xi merupakan nilai tahanan per satuan volume pada suatu poros media. Nilai tahanan pada tanaman tomat telah diteliti oleh Haxaire (1999) yaitu sebesar Oleh karena itu, Persamaan 14 dapat dituliskan menadi:

15 37 [ ( )] ( )... (15) Persamaan energi pada aliran di sekitar tanaman dituliskan dengan persamaan 16. [ ( ) ( )( ) ] ( ) ( )...(16) Pada persamaan di atas, c p adalah panas spesifik pada kondisi tekanan konstan, T adalah suhu dan k adalah konduktivitas termal. Subscripts f menunukkan bahwa panas spesifik dan densitas yang dimaksudkan merupakan panas spesifik fluida (udara) dan densitas fluida, sedangkan subscripts s menunukkan panas spesifik solid (tanaman) dan densitas tanaman. 3.8 Validasi Model Validasi model dilakukan dengan menghitung nilai eror hasil simulasi yang disandarkan terhadap nilai hasil ukur di lapangan, sehingga nilai eror merupakan parameter akurasi dari hasil simulasi. Kalkulasi nilai eror untuk nilai sebaran suhu ditentukan dengan persamaan 17 T eror simulasi T T ukur ukur 100%...(17) dimana T simulasi adalah suhu hasil simulasi ( C) dan T ukur adalah suhu hasil pengukuran ( C). Penghitungan nilai eror parameter lain dapat uga menggunakan persamaan (17) dengan menggantikan parameter suhunya. Keseragaman distribusi suhu dan parameter lainnya dari hasil simulasi dapat ditentukan dengan menghitung nilai koefisien keseragaman (coefficient of uniformity) data hasil simulasi. Hal ini menunukkan kualitas keseragaman sebaran nilai parameter yang diukur dan disimulasikan. Koefisien keseragaman data hasil simulasi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 18. CU n i1 x i n x i1 i... (18) dimana CU adalah koefisien keseragaman dalam (%), µ nilai rata-rata suhu hasil simulasi dalam ( C), x i adalah suhu hasil pengukuran ( C), dan n merupakan umlah data.

16 Batasan dan Asumsi Batasan dan asumsi dalam simulasi penerapan exhaust fan untuk mengkai distribusi suhu dan pola aliran udara dalam rumah tanaman sebagai dampak dari penerapan exhaust fan tersebut adalah sebagai berikut: Parameter input berupa suhu, radiasi, kelembaban udara dan kecepatan angin berada dalam kondisi tunak pada suatu waktu t tertentu. Sebaran nilai suhu pada dinding permukaan solid yang memancarkan nilai panas dianggap seragam sesuai dengan kondisi batasnya masing-masing. Tidak ada geometri lain (seperti bangunan dan pohon di sekitar rumah tanaman) yang dapat mempengaruhi paramater input seperti pantulan radiasi dan pola aliran udara.