HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Lingkungan mikro di dalam rumah tanaman khususnya di daerah tropika asah perlu mendapat perhatian khusus, mengingat iri iklim tropika asah dengan suhu udara yang relatif panas, intensitas radiasi matahari yang tinggi dan kelemaan 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 pemanding dalam hal penentuan luas ventilasi rumah tanaman. Selain itu, jenis material dan teal ahan yang digunakan juga sangat erpengaruh dalam proses perpindahan panas di dalam rumah tanaman. 4.1 Peruahan Suhu Udara dan Suhu Permukaan Lantai Rumah Tanaman Pengukuran dilakukan selama tiga hari dari tanggal 28 Maret 2012 sampai 30 Maret 2012, namun data yang digunakan adalah data iklim dan kondisi lingkungan di rumah tanaman pada tanggal 30 Maret Pengukuran dilakukan selama 12 jam, dimulai dari pukul 06:00 sampai dengan pukul 18:00. Pada Gamar 16 dan 17 disajikan hasil pengukuran suhu udara dan radiasi matahari di dalam dan di luar rumah tanaman (Lampiran 5 dan 6) Suhu, o C di dalam di luar Waktu setempat, WIB Gamar 16. Peruahan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012)

2 Radiasi, W/m di dalam di luar Waktu setempat, WIB Gamar 17. Peruahan radiasi matahari di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012) Gamar 18 dan 19 menyajikan gamar peruahan suhu pada permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman sesuai titik-titik pengukuran (Lampiran 2 dan 3). Suhu, o C Titik 1 Titik 3 Titik 7 Titik 9 Titik 13 Titik 15 Titik 17 Titik 21 Titik 22 Waktu setempat, WIB Gamar 18. Peruahan suhu permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) 24

3 Suhu, o C Titik 2 Titik 4 Titik 5 Titik 6 Titik 8 Titik 10 Titik 12 Titik 14 Titik 16 Titik 18 Titik 20 Waktu setempat, WIB Gamar 19. Peruahan suhu udara pada posisi 45 m di atas permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) Pengukuran iklim mikro dilakukan pada saat rumah tanaman dalam keadaan tanpa tanaman. Suhu lantai yang dihasilkan erkisar o C dan suhu udara pada 45 m di atas permukaan lantai yang dihasilkan erkisar o C (Lampiran 7 dan 8). Namun, pengukuran suhu udara pada 2 m di atas permukaan lantai (sesuai tinggi weather station) erkisar o C, sedangkan suhu udara di luar rumah tanaman erkisar o C. Berdasarkan hasil pengukuran terseut, suhu udara pada lokasi 45 m di atas permukaan lantai akan leih tinggi daripada suhu udara 2 m di atas permukaan lantai. Hal ini diseakan oleh pengaruh dari panas yang tersimpan dalam material dan tertutupnya lantai oleh eton (60 m), sehingga udara enderung stagnan. Jika tidak adanya pengaruh dari keepatan angin yang signifikan, maka akan terjadi efek Buoyany. Pementukan profil suhu terseut dipengaruhi oleh intensitas radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman. Intensitas radiasi matahari tertinggi yang masuk ke dalam rumah tanaman terjadi pada pukul 12:00, namun suhu tertinggi tidak selalu terjadi pada saat intensitas radiasi matahari tertinggi. Menurut Lippsmeier (1997), panas tertinggi diapai kira-kira 1 2 jam setelah tengah hari, karena pada saat itu radiasi matahari langsung ergaung dengan suhu udara yang sudah tinggi, sedangkan suhu terendah sekitar 1 2 jam seelum matahari terit. Hasil pengukuran menunjukkan suhu udara di dalam rumah tanaman menapai suhu tertinggi setelah tengah hari (pukul 14:00). 4.2 Simulasi dengan Metode Computational Fluid Dynamis (CFD) Simulasi CFD dilakukan untuk mengetahui searan suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman. Simulasi dilakukan pada saat radiasi minimum dan radiasi maksimum. Hasil simulasi yang ditampilkan erupa kontur suhu (tampak depan dan tampak samping). Potongan kontur yang ditampilkan meliputi tampak depan (Utara-Selatan) dengan jarak 1.5 m, 6 m dan 10.5 m, sedangkan tampak samping (Barat-Timur) dengan jarak 0.8 m, m dan 5.05 m. Pemilihan jarak ini disesuaikan dengan posisi titik-titik pengukuran suhu yang telah dilakukan dan untuk melihat pola detail searan suhu di atas permukaan lantai (maksimum 60 m). Kontur suhu udara dan permukaan akan menunjukkan searan suhu yang terjadi di atas permukaan lantai rumah 25

4 tanaman sehingga diketahui pengaruhnya agi perpindahan panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Radiasi minimum (0 W/m 2 ) dapat terjadi pada pagi hari dan sore hari, namun untuk simulasi ini diamil pada saat pagi hari karena elum ada pengaruh dari radiasi seelumnya. Pada saat yang ersamaan untuk pengukuran radiasi 0 W/m 2 keepatan angin di luar rumah tanaman terukur 0 m/detik. Gamar 20 dan 21 menunjukkan searan suhu pada rumah tanaman pada saat radiasi 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). Terlihat ahwa ada peredaan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman karena struktur rumah tanaman yang enderung leih tertutup, suhu di dalam leih esar dari suhu di luar rumah tanaman. Selisih suhu udara yang dihasilkan antara di dalam dan di luar rumah tanaman kurang leih seesar 3 o C. Seara keseluruhan suhu teresar yang dihasilkan pada rumah tanaman ada di agian atap dan kedua sisi permukaan lantai agian luar rumah tanaman. Hal ini diseakan erkumpulnya panas di agian atap akiat dari radiasi matahari langsung dan udara panas yang akan keluar dari rumah tanaman akiat efek Chimney. Selain itu, pada saat simulasi dilakukan agian atap dan kedua sisi permukaan lantai agian luar rumah tanaman tidak didefinisikan seagai real wall, sehingga mendapat pengaruh langsung dari kapasitas panas material atap dan lantai. a Gamar 20. Searan suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m tampak depan 26

5 a Gamar 21. Searan suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m 27

6 Fokus penelitian ini adalah simulasi searan suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, dimana dapat mempengaruhi pindah panas konveksi dan aliran udara. Gamar 22 dan 23 menunjukkan searan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). Suhu udara di atas permukaan lantai dalam rumah tanaman akan semakin rendah ketika mendekati agian tengah rumah tanaman. Hal ini diseakan oleh pada agian tengah rumah tanaman terjadi pertemuan aliran udara seagai akiat dari efek Buoyany, sedangkan agian samping leih panas karena pergerakan udara yang terhamat oleh dinding awah dan pengaruh material dinding. Hasil simulasi ini juga menunjukkan adanya pengaruh dari panas yang tersimpan di dalam lantai rumah tanaman yang dapat mempengaruhi searan suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman. a Gamar 22. Searan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m 28

7 a Gamar 23. Searan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m Simulasi yang dilakukan untuk kondisi kedua adalah pada saat radiasi maksimum, yaitu seesar 1,092 W/m 2. Keepatan udara yang terukur pada saat radiasi maksimum adalah 1.29 m/detik dengan arah Timur Laut (NE). Adanya keepatan udara ini mempengaruhi searan suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman. Arah keepatan angin Timur Laut akan mempengaruhi suhu udara rumah tanaman dari sisi (-x) dan (z), sehingga rumah tanaman agian (-x) dan (z) akan memiliki suhu yang leih rendah. Namun, apaila melihat peredaan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman, selisih yang diperoleh relatif keil yaitu kurang leih seesar 1 o C. Hal ini dipengaruhi oleh angin yang ertiup dari luar rumah tanaman. Gamar 24 dan 25 menunjukkan searan suhu rumah tanaman pada saat radiasi maksimum tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). 29

8 a Gamar 24. Searan suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m 30

9 a Gamar 25. Searan suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m tampak 31

10 Pada dasarnya penetapan atasan sistem yang diamati pada agian awah rumah tanaman ini adalah dengan tinggi 60 m, sesuai dengan tinggi dinding awah pada rumah tanaman. Hal ini ertujuan agar semua proses yang terjadi di rumah tanaman, terutama dalam hal pementukan iklim mikro hanya diseakan oleh efek termal, tanpa dipengaruhi oleh angin. Namun, hasil simulasi menunjukkan seara tidak langsung faktor angin mempengaruhi searan suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman. Gamar 26 dan 27 menunjukkan searan suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi maksimum tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). a Gamar 26. Searan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m, dan () 10.5 m 32

11 a Gamar 27. Searan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (kanan) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m 4.3 Validasi Hasil Simulasi Suhu Validasi erfungsi untuk menunjukkan nilai ketepatan antara hasil simulasi dan hasil pengukuran. Data yang digunakan untuk validasi adalah data suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Tael 4 menunjukkan validasi suhu pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 0 W/m 2. Hasil validasi yang diperoleh erkisar antara % dan error yang dihasilkan untuk semua titik leih keil dari 10%, sehingga nilai validasi ini dapat dikatakan akurat. Begitu juga dengan hasil validasi pada saat radiasi 1,092 W/m 2, hasil validasi yang diperoleh erkisar %. Nilai validasi suhu pada saat radiasi maksimum ditampilkan pada Tael 5. Pada dasarnya, perhitungan validasi ini diperoleh dengan menghitung error dari setiap titik pengukuran. Huungan error dan validasi ini adalah eranding teralik. 33

12 Sehingga, semakin esar nilai error yang diperoleh maka memperkeil nilai validasi yang dihasilkan. Kemudian, peredaan suhu menunjukkan selisih suhu antara suhu pengukuran dan suhu simulasi. Semua nilai peredaan suhu pada tael menunjukkan nilai yang positif. Hal ini karena dalam perhitungan selisih suhu dijadikan mutlak dan ertujuan untuk memudahkan dalam perhitungan validasi. Pada kenyataannya, ada nilai peredaan suhu yang negatif, karena nilai suhu pengukuran yang leih keil dari nilai suhu simulasi. Nilai suhu pengukuran leih keil atau leih esar dari suhu simulasi menunjukkan error yang dihasilkan menyear seara sistematis. Titik Tael 4. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 0 W/m 2 Koordinat x y z Suhu Pengukuran ( o C) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Peredaan ( o C) Error (%) Validasi (%) Maksimum (Titik 1) Minimum (Titik 6)

13 Tael 5. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 1,092 W/m 2 Titik Koordinat x y z Suhu Pengukuran ( o C) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Peredaan ( o C) Error (%) Validasi (%) Maksimun (titik 3) Minimum (titik 12) Metode lain yang digunakan untuk menunjukkan validasi hasil simulasi adalah dengan melakukan analisis regresi linear. Analisis ini dilakukan dengan menghuungkan suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi menggunakan grafik. Ada dua grafik yang dianalisis, yaitu hasil simulasi suhu permukaan lantai dan hasil simulasi suhu udara di atas permukaan lantai. Gamar 28 menunjukkan grafik validasi simulasi suhu permukaan lantai rumah tanaman. Huungan grafik ini menghasilkan nilai a dan masing-masing seesar dan Model simulasi dinyatakan dapat memerikan prediksi searan suhu yang semakin aik ila persamaan regresinya memiliki nilai intersep (a) semakin mendekati nol dan gradiennya () semakin mendekati satu. Prediksi searan suhu permukaan lantai rumah tanaman dapat dikatakan aik mengingat nilai keseragaman grafik yang diperoleh seesar (94.6%). Begitu pula untuk grafik validasi simulasi suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman yang menghasilkan nilai a dan masing-masing seesar dan (Gamar 29). Prediksi searan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman ini juga dapat dikatakan aik mengingat nilai keseragaman grafik yang diperoleh seesar (94.7%). 35

14 44 y = x Suhu Simulasi ( o C) y = 0.947x R² = Suhu pengukuran ( o C) Gamar 28. Grafik validasi suhu permukaan lantai rumah tanaman 38 y = x 36 Suhu Simulasi ( o C) y = 0.899x R² = Suhu pengukuran ( o C) Gamar 29. Grafik validasi suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman 36

15 4.4 Pindah Panas Konveksi dan Pola Aliran Udara di Atas Permukaan Lantai Rumah Tanaman Peristiwa pindah panas di rumah tanaman dapat terjadi di eerapa komponen rumah tanaman, salah satunya adalah lantai. Parameter utama yang diutuhkan untuk mengetahui pindah panas seara konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman adalah suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas lantai (45 m di atas permukaan lantai), dimana data yang digunakan adalah data hasil simulasi. Proses pindah panas konveksi yang terjadi di atas permukaan lantai rumah tanaman dihitung dengan Persamaan 9, dan seara langsung dipengaruhi oleh suhu lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai (45 m). Besarnya nilai pindah panas konveksi yang dihasilkan eranding lurus dengan selisih suhu antara suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai serta eranding lurus dengan nilai koefisien pindah panas konveksi. Semakin esar nilai selisih suhu dan nilai koefisien pindah panas konveksi, maka akan semakin esar pindah panas konveksi yang dihasilkan. Begitu pula sealiknya, semakin keil selisih suhu dan nilai koefisien pindah panas konveksi, maka akan semakin keil pindah panas yang terjadi. Pola pindah panas konveksi pada rumah tanaman disajikan pada Tael 6. Tael 6 menunjukkan esarnya nilai pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman dapat dilihat dari tiga agian rumah tanaman (Barat-Timur), yaitu agian kiri, tengah dan kanan rumah tanaman sesuai dengan jarak pengukuran untuk tampak samping. Pada pagi hari (06:00), pindah panas konveksi yang terjadi relatif keil yaitu erkisar W. Hal ini diseakan oleh elum adanya pengaruh seara langsung dari radiasi matahari, sehingga suhu di dalam rumah tanaman ukup konstan. Bagian kiri rumah tanaman yang memiliki nilai pindah panas konveksi paling rendah, karena pada pagi hari radiasi matahari yang masuk akan mengenai agian kiri rumah tanaman dan suhu lantai menjadi leih panas. Selisih yang keil antara suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai menyeakan pindah panas pada agian ini menjadi keil. Pada saat radiasi maksimum, pindah panas konveksi yang dihasilkan erkisar W. Adanya pengaruh dari keepatan angin dari luar rumah tanaman mempermudah terjadinya proses pindah panas di atas permukaan lantai rumah tanaman. Bagian kanan rumah tanaman mempunyai nilai pindah panas yang leih keil karena selisih suhu yang keil, walaupun keepatan angin keepatan angin yang relatif esar mengenai agian ini. Hal ini menunjukkan ahwa semakin esar keepatan angin tidak memperesar nilai pindah panasnya, tetapi mempermudah proses pindah panas konveksi dengan mendinginkan suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Selain untuk mengetahui searan suhu dan analisis pindah panas konveksi, hasil simulasi dengan menggunakan CFD ini dapat juga diaplikasikan untuk mempelajari pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman terjadi karena efek termal. Hasil simulasi yang ditampilkan erupa kontur dan vektor keepatan udara (tampak depan dan tampak samping). Potongan kontur yang ditampilkan sama halnya dengan potongan kontur hasil CFD suhu yang meliputi tampak depan (Utara-Selatan) dengan jarak 1.5 m, 6 m dan 10.5 m, sedangkan tampak samping (Barat-Timur) dengan jarak 0.8 m, m dan 5.05 m. Gamar 30 dan 31 menunjukkan pola aliran udara yang terjadi di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). Prinsipnya pada saat keepatan angin dari luar rumah tanaman 0 m/detik, pergerakan udara di dalam rumah tanaman terjadi karena efek termal. 37

16 Tael 6. Pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman Titik Koordinat Suhu Simulasi ( o C) Pindah Panas (W) x y Z Minimum Maksimum Minimum Maksimum Maksimum Minimum a Gamar 30. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m 38

17 a Gamar 31. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m Hasil simulasi menunjukkan adanya efek Buoyany yang terjadi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Seagian esar dari gamar terlihat pola aliran udara yang masuk ke dalam rumah tanaman melewati eton awah, kemudian ergerak naik ke atas rumah tanaman karena adanya peredaan kerapatan udara dan terentur dinding awah. Walaupun selisih keepatan udara keil dan kulit manusia tidak dapat merasakannya, tetapi polanya dapat dilihat jelas 39

18 menggunakan CFD. Namun, untuk daerah yang dekat dengan pintu, terlihat ahwa keepatan udara yang dihasilkan leih esar karena tidak terhalang oleh dinding eton. Gamar 32 dan 33 menunjukkan pola aliran udara yang terjadi di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). a Gamar 32. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m 40

19 a Gamar 33. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m Berdasarkan hasil simulasi pada saat radiasi maksimum, efek termal tidak mempengaruhi aliran udara di dalam rumah tanaman. Faktor termal erperan dominan pada saat keepatan udara rendah, sehingga terjadi pergerakan udara akiat peredaan suhu dan kerapatan udara di dalam dan di luar rumah tanaman. Kamaruddin (1999) menyatakan ahwa atas keepatan udara dimana faktor termal masih dapat erperan dominan adalah seesar 1 m/detik, sedangkan menurut Papadakis et al. (1996) seesar 1.67 m/detik. Disamping itu, Papadakis et al. (1996) menyatakan ahwa pada saat keepatan udara leih dari 1.8 m/detik, efek termal terhadap laju ventilasi dapat diaaikan. Gamar 34 dan 35 menunjukkan pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi 1,092 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). 41

20 a Gamar 34. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m 42

21 a Gamar 35. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m Arah datang dan esarnya keepatan angin mempengaruhi proporsi udara di dalam rumah tanaman. Hal ini erarti aliran udara dengan arah (-x) dan (z) leih mendinginkan agian rumah tanaman elakang dan samping kanan. Namun, untuk agian dinding awah yang terhalang eton, keepatan angin yang dihasilkan akan leih rendah diandingkan agian ventilasi dinding. Besarnya keepatan udara mempengaruhi epat tidaknya pergantian udara di dalam rumah tanaman. Terlihat ahwa di setiap sisi kanan dan kiri dinding eton awah udara erputar seperti lingkaran karena terhalang eton. Aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman memang 43

22 relatif keil, karena strukturnya yang tertutup dinding awah rumah tanaman. Keepatan udara dari luar pada kondisi ini mempengaruhi keepatan perpindahan udara, namun tidak untuk esarnya keepatan udara (khususnya di atas permukaan lantai rumah tanaman). Gamar 36 dan 37 menunjukkan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi 1,092 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). a Gamar 36. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, () 6 m dan () 10.5 m 44

23 a Gamar 37. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, () m dan () 5.05 m 45