SIMULASI POLA ALIRAN UDARA DAN DISTRIBUSI SUHU PADA KANDANG CLOSED HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Transkripsi

1 SIMULASI POLA ALIRAN UDARA DAN DISTRIBUSI SUHU PADA KANDANG CLOSED HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS Oleh : HASBI MUBAROK SUUD F DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 1

2 Simulation of Airflow Pattern and Temperature Distribution at Closed House System Chicken House Using Computational Fluid Dynamics Hasbi Mubarok Suud and Kudang Boro Seminar* *lecture of department agricultural engineering IPB ABSTRACT CFD is a problem solving approach from continuum equation (infinite element) to be a discrete equation (finite element). Velocity of exhaust fan, temperature of curtain that covered the chicken house, temperature of wall, temperature of roof, and temperature of ceiling are used for input data in simulation. All measurement to get data had been done at May 30 th 2009 and the data was used for simulation is data at For measurement validation, data of velocity, temperature, and relative humidity was measured in validation coordinate point that defined at chicken house. Simulation is internal flow simulation so that the computational domain is model geometry of the chicken house. Output of this simulation is a data that pointed out in cut plot contour and vector of velocity, temperature, and relative humidity. The result of simulation is showed velocity airflow profile that increases at inlet area because of air collision from two air inlet. The temperature distribution tended to increase at outlet area because of heat accumulation from heat convection of chicken. The convection is caused by air flow to exhaust fan. From the simulation, was result that average temperature is 33,53 o C and average velocity is 2,28 m/s. Simulation validation is included measurement validation by compare actual data from measurement with data from simulation and mesh validation to assured that the simulation is appropriate. Measurement validation is done by calculate SEP (standard error prediction), CV (coefficient of variation), refraction value, and ADP (average percentage of prediction). Validation result for temperature is good enough because SEP value is 1,653 and CV is 4,99% that fulfill for SEP criteria that less than 4 and CV criteria that less than 5%. Validation result for air flow velocity is not good enough because the CV value is 15,28% more than 5%. Through simulation result and measurement showed that air flow pattern at the chicken house is good enough because they can to distribute evenly the air velocity at chicken s habitat so the growth up for all chicken in the chicken house can be same relatively. The regulation for population density of chicken in the chicken house was good enough by decreasing chicken population at outlet area because there is heat accumulation at outlet area. Temperature effective of chicken when the measurement and simulation was done is around 25 o C and is still good for poultry.

3 Hasbi Mubarok Suud. F Simulasi Pola Aliran Udara dan Distribusi Suhu Pada Kandang Closed house Menggunakan Computational fluid dynamics. Di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M. Sc. RINGKASAN Usaha pembesaran peternakan ayam broiler sudah banyak dilaksanakan di Indonesia baik dalam skala, sedang bahkan dalam skala besar yang dilakukan oleh perusahaan. Dalam usaha pembesaran ayam broiler tersebut, suhu merupakan faktor yang krusial dalam pembesaran ayam di wilayah beriklim tropis. Kandang closed house merupakan suatu sistem yang menawarkan solusi untuk memberikan kondisi yang sesuai untuk produksi ayam broiler. Didalam penelitian ini dikaji pola aliran udara, distribusi suhu dan kelembaban udara pada kandang closed house menggunakan computational fluid dynamic (CFD) dan hubungannya dengan kenyamanan thermal ayam. CFD merupakan pendekatan pemecahan permasalahan dari persamaan kontinum (sel tak hingga) menjadi suatu persamaan yang diskret (sel hingga). Data kecepatan angin exhaust fan, suhu terpal penutup kandang, suhu dinding, suhu lantai, dan suhu atap digunakan sebagai data masukan. Pengukuran dilakukan tanggal 30 mei 2009 dan dipilih data pada pukul 13:00. Sebagai validasi pengukuran dilakukan pengukuran suhu, kecepatan udara, dan kelembaban relatif pada titik validasi di area dalam kandang. Simulasi merupakan simulasi internal flow sehingga batas computational domain nya adalah area geometri model kandang. Keluaran dari simulasi ini berupa data, potongan kontur dan vektor parameter kecepatan udara, suhu, dan kelembaban relatif. Hasil simulasi menggambarkan profil aliran udara yang meningkat di daerah inlet karena ada pertemuan dua aliran udara dari dua inlet kandang. Distribusi suhunya cenderung meningkat pada daerah outlet kandang akibat ada akumulasi panas dari konveksi ayam yang disebabkan hembusan aliran udara menuju outlet. Dari hasil simulasi didapatkan nilai suhu rata-rata pada kandang adalah 33,53 o C dan nilai kecepatan udara rata-rata adalah 2,28 m/s. Validasi dilakukan meliputi validasi pengukuran dengan membandingkan data aktual pengukuran dan simulasi dan validasi mesh. Validasi pengukuran dilakukan dengan menghitung SEP (standart error prediction), CV (coefficient of variation), bias, dan ADP (average precentage of prediction). Validasi pengukuran untuk suhu cukup baik nilainya karena Untuk parameter nilai SEP nya sebesar 1,653, CV sebesar 4,99% memenuhi kriteria SEP kurang dari 4 dan CV kurang dari 5%. Validasi kecepatan angin tidak cukup baik nilainya karena CV nya sebesar 15,28% lebih besar dari 5%. Melalui hasil simulasi dan pengukuran menunjukkan profil aliran udara yang ada dalam kandang closed house cukup baik karena dapat meratakan kecepatan udara pada daerah habitat ayam sehingga pertumbuhan ayam diharapkan dapat merata. Pengaturan kepadatan ayam pada kandang sudah cukup baik dengan mengurangi kepadatan ayam di area outlet karena adanya akumulasi panas pada area outlet. Suhu efektif ayam ketika pengukuran dan simulasi dilakukan sekitar 25 o C masih dalam selang temperatur ideal untuk unggas. i

4 SIMULASI POLA ALIRAN UDARA DAN DISTRIBUSI SUHU PADA KANDANG CLOSED HOUSE MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SKRIPSI Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Oleh : HASBI MUBAROK SUUD F DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 1

5 Judul Skripsi : Simulasi Pola Aliran Udara dan Distribusi Suhu Pada Kandang Closed house Menggunakan Computational Fluid Dynamics Nama : Hasbi Mubarok Suud NIM : F Menyetujui Dosen Pembimbing, Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc NIP : Mengetahui: Ketua Departemen, Dr. Ir. Desrial, M.Eng NIP : Tanggal Lulus :... i

6 RIWAYAT HIDUP Penulis adalah putra pertama dari dua bersaudara pasangan Suud Asy ari dan Sa adah Mashud. Dilahirkan di Bangkalan, Madura Jawa Timur pada 19 Juli Penulis menamatkan pendidikan dasar di SDN Margorejo III Surabaya, lalu dilanjutkan ke jenjang pendidikan menengah di SMPN 13 Surabaya. Pada tahun 2002 penulis masuk di SMAN 2 Surabaya dan lulus pada tahun Pada tahun yang sama, penulis diterima sebagai mahasiswa Tingkat Persiapan Bersama Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Baru pada tahun 2006 penulis resmi diterima sebagai mahasiswa Departemen Teknik Pertanian IPB. Pada masa perkuliahan penulis tertarik pada bidang jurnalistik sehingga pernah aktif sebagai wartawan koran kampus IPB pada tahun dan sempat mengikuti beberapa kegiatan pelatihan jurnalistik yang diadakan oleh media masa. Selain itu penulis juga merupakan anggota Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA) dan Himpunan Mahasiswa Surabaya (HIMASURYA) yang merupakan Organisasi Mahasiswa Daerah (OMDA) di IPB. Penulis pernah melakukan praktek lapangan dengan judul Mempelajari Aspek Keteknikan Pertanian Pada Produksi Gula Di PTPN XI PG. Toelangan, Sidoarjo, Jawa Timur pada tahun ii

7 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, Segala puja dan puji syukur penulis panjatkan hanya ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat serta hidayah-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Skripsi ini berdasarkan hasil penelitian yang dilaksanakan mulai bulan april hingga november 2009 dengan judul Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Pada Kandang Closed House menggunakan computational fluid dynamics. Dengan penuh kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Ir Kudang Boro Seminar, M.sc selaku dosen pembimbing untuk semua ilmu, bimbingan, arahan, kritikan, saran dan masukan baik dalam masalah akademik maupun agama yang telah diberikan selama ini. 2. Ibu Ir. Sri Endah Agustina, Ms selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran dan masukan bagi penulis. 3. Bapak Ir Mad Yamin, MT selaku dosen penguji yang telah memberikan banyak saran dan masukan bagi penulis. 4. Bapak Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara yang telah memberikan ilmu, saran, bimbingan dan segala bantuannya sehingga penelitian ini dapat terlaksana. 5. Ayah dan ibu serta adik tercinta yang memberikan doa, harapan, dan dukungan lahir batin serta limpahan kasih sayang yang melimpah. 6. Agus Ghautsun Ni am, Muhammad Ali Maksum, Farid Fachrudin, dan semua teman-teman TEP angkatan 42 atas segala diskusi, saran, kritikan, bantuan, dan semangat kepada penulis untuk menyelesaikan penelitian ini serta atas segala kebersamaannya selama di masa perkuliahan. 7. Pak Ahmad dan Mas Firman atas kerjasama dan segala bantuannya kepada penulis dalam melaksanakan penelitian ini. 8. Lembaga CCIT yang telah memberikan kesempatan bagi penulis untuk menggunakan fasilitas software EFD untuk penelitian. 9. Mas Edo, Mas Taupik dan seluruh anak kandang closed house Cikabayan IPB atas kerjasama dan bantuannya kepada penulis selama proses pengambilan data di kandang. iii

8 Demikianlah skripsi yang masih sangat jauh dari sempurna, sehingga sangat diharapkan saran dan kritik dalam penulisannya. Semoga penulisan skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis dan bagi semua pihak yang membutuhkannya. Bogor, Desember 2009 Penulis iv

9 DAFTAR ISI DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR LAMPIRAN... ix DAFTAR ISTILAH... x I. PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang... 1 B. Tujuan... 2 II. TINJAUAN PUSTAKA... 3 A. Ayam Ras Broiler... 3 B. Kandang Tertutup (Closed House)... 4 C. Faktor Yang Mempengaruhi Distribusi Suhu di Kandang Closed House... 5 C.1 Pindah panas dari tubuh ayam ke lingkungan... 6 C.2 Sistem insulasi dan konstruksi kandang... 7 C.3 Sistem ventilasi... 8 D. Suhu Efektif Ayam... 8 E. Computational Fluid Dynamics... 9 F. EFD Lab G. Penelitian Terdahulu Yang Pernah Dilakukan Menggunakan CFD METODOLOGI PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian B. Alat dan Bahan C. Pendekatan Permasalahan v

10 D. Tahapan Kegiatan Penelitian D.1 Pemasangan kabel Termokopel pada kandang closed house D.2 Pengukuran dimensi dan menggambar geometri kandang ayam closed house D.3 Pengukuran suhu, kecepatan angin, dan kelembaban udara dalam kandang closed house D.4 Pembuatan simulasi menggunakan EFD Lab D.4.1 Pra-pengolahan D.4.2 Pemecahan masalah D.4.3 Pasca-pengolahan E. Validasi hasil simulasi IV. PEMBAHASAN A. Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Hasil Simulasi CFD B. Validasi C. Kondisi Lingkungan yang Sesuai Untuk Ayam dan Fenomena Aliran Yang Ada Dalam Kandang Closed house V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi

11 DAFTAR TABEL Tabel 1. Beberapa kondisi lingkungan kandang dan akibatnya pada ayam... 4 Tabel 2. Pengaruh temperatur terhadap produksi unggas... 4 Tabel 3. Nilai insulasi untuk material dengan ketebalan 25 mm... 7 Tabel 4. Nilai insulasi untuk kandang ayam dalam kondisi iklim yang berbeda... 7 Tabel 5. Titik pengukuran suhu untuk validasi Tabel 6. Titik koordinat pengukuran angin Tabel 7. Titik koordinat pengukuran kelembaban udara vii

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Denah titik pengukuran suhu tampak atas untuk validasi Gambar 2. Denah titik pengukuran kecepatan udara tampak atas untuk validasi. 19 Gambar 3. Denah titik pengukuran kelembaban udara tampak atas untuk validasi Gambar 4. Diagram alir proses simulasi distribusi suhu udara dalam greenhouse menggunakan software EFD Gambar 5. Geometri kandang piktorial dengan bagian atap disembunyikan (hidden) Gambar 6. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi aliran udara pada inlet27 Gambar 7. Cut plot contour parameter kecepatan udara pada iterasi ke-330 tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada iterasi ke-420 parameter kecepatan udara tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi profil kecepatan udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) Gambar 9. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter tekanan udara tampak atas pada:(a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang viii

13 Gambar 10. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter suhu tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang Gambar 11. Cut plot tampak samping profil temperatur udara pada kandang Gambar 12. Cut plot contour dan vector profil temperatur udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) Gambar 13. Cut plot dan vector parameter kelembaban udara tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang Gambar 14. Grafik nilai kecepatan aliran udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris Gambar 15. Grafik nilai suhu udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris Gambar 16. Grafik nilai kelembaban relatif udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris Gambar 17. Grafik nilai suhu aktual dan hasil simulasi Gambar 18. Grafik nilai kecepatan udara aktual dan hasil simulasi Gambar 19. Grafik nilai kelembaban udara aktual dan hasil simulasi ix

14 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Tabel data pengukuran tanggal 30 juni Lampiran 2. Hasil pengukuran suhu aktual dan nilai suhu hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi Lampiran 3. Hasil pengukuran kelembaban udara aktual dan nilai kelembaban udara hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi Lampiran 4. Hasil pengukuran kecepatan udara aktual dan kecepatan udara hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi Lampiran 5. Contoh tabel target suhu efektif dengan kondisi 8 exhaust fan beroperasi Lampiran 6. Gambar geometri model kandang closed house tampak samping Lampiran 7.Gambar geometri model kandang closed house tampak belakang Lampiran 8. Gambar geometri model kandang closed house tampak atas Lampiran 10. Gambar piktorial modek kandang closed house Lampiran 11. Foto dokumentasi kandang closed house Lampiran 12. Data hasil kalibrasi kabel termokopel Lampiran 13. Grafik hasil kalibrasi dan persamaan regresi kabel termokopel Lampiran 14. Nilai dan grafik parameter suhu dan kecepatan udara hasil simulasi CFD x

15 DAFTAR ISTILAH Kandang closed house : kandang sistem tertutup. Pembesaran ayam : kegiatan pemeliharaan ayam untuk menambah berat badannya hingga berat tertentu. Computational domain : Daerah batas dilakukan perhitungan simulasi CFD, biasanya berupa koordinat pada gambar geometri yang akan disimulasi. Boundary condition : Kondisi yang ditentukan sebagai nilai input untuk perhitungan simulasi CFD. Initial condition : Kondisi yang ditentukan sebagai nilai awal dimulainya simulasi CFD. Internal flow : Pendefinisian daerah batas perhitungan simulasi CFD dalam software EFD Lab hanya mencakup daerah di dalam gambar geometri saja. External flow : Pendefinisian daerah batas perhitungan simulasi CFD dalam software EFD Lab yang mencakup daerah di dalam gambar dan daerah di luar gambar geometri. Pressure opening : Inisialisasi adanya area tempat masuknya fluida pada software EFD Lab, seperti inisialisasi adanya jendela dan lubang ventilasi di ruangan tertutup. Biasanya digunakan untuk analisis dengan internal flow. Output flow : Inisialisasi adanya area tempat keluarnya fluida dari suatu ruangan tertutup dengan kecepatan tertentu pada software EFD Lab. Heat source : Inisialisasi adanya sumber energi panas pada suatu permukaan benda pada software EFD Lab. Real wall : Inisialisasi suhu tertentu di permukaan benda pada software EFD Lab. Global goals : Tujuan umum yang akan dicapai dalam simulasi dan menjadi batas selesainya iterasi perhitungan dalam simulasi CFD Cut plot : Metode untuk menampilkan gambar hasil simulasi. Flow trajectories : Metode untuk menampilkan arah aliran fluida dalam bentuk animasi. xi

16 Time dependency : Metode yang memasukkan pengaruh parameter waktu secara series dalam perhitungan simulasi CFD. Environment pressure : Salah satu cara untuk mendefinisikan pressure opening. Exhaust fan : Kipas blower untuk menghisap udara dalam kandang closed house. Outlet velocity : Salah satu cara untuk mendefinisikan inisialisasi outlet flow pada software EFD Lab. Biasanya dengan cara memasukkan nilai kecepatan fluidanya. Mesh dependency test : Metode untuk mendapatkan tingkat mesh yang optimal dalam pembuatan simulasi. xii

17 I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Usaha pembesaran peternakan ayam broiler sudah banyak dilaksanakan di Indonesia baik dalam skala kecil ( ekor), sedang ( ekor) bahkan dalam skala besar ( jutaan ekor) yang dilakukan oleh perusahaan (Fadillah et al., 2006). Seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dunia, maka kebutuhan akan daging ayam juga akan terus bertambah. Menurut data USDA Foreign Agricultural Service dan Paul Aho pada tahun 1995 produksi daging ayam dunia mencapai 40,4 juta ton per tahun dan pada tahun 2000 produksi dagin ayam dunia telah meningkat mencapai 50 juta ton per tahun (Bell, 2001). Dalam usaha peternakan ayam broiler dibutuhkan pengetahuan tentang breeding, feeding, manajemen pemeliharaan, dan pencegahan dan pemberantasan penyakit. Faktor perkandangan memegang peranan yang sangat penting dalam usaha peternakan ayam. Hal ini disebabkan kandang merupakan tempat hidup ayam dari usia awal sampai berproduksi atau dipanen (Priyatno, 2002). Di Indonesia saat ini banyak digunakan kandang sistem terbuka karena biaya pembuatan, operasi, dan pemeliharaan yang lebih murah jika dibandingkan dengan kandang sistem tertutup (closed house). Tetapi sistem kandang sistem tertutup ini memiliki kelebihan antara lain mampu menciptakan lingkungan yang ideal dalam kandang dengan lebih terkontrol, meningkatkan produktivitas ayam, efisiensi lahan dan tenaga kerja, serta lebih ramah lingkungan. Prinsip utama dalam membangun kandang closed house adalah menyediakan lingkungan yang sehat bagi peternakan ayam. Kualitas lingkungan yang sehat menurut standar Eropa antara lain mencakup parameter kadar ammonia, karbon dioksida, debu tehirup oleh ternak, debu yang di respirasi oleh ternak, dan bakteri yang mematikan (Leeson, 2000). Parameter lain yang juga sangat penting dalam lingkungan kandang ayam adalah adalah suhu udara dan ventilasi dalam kandang (Bell, 2001). Simulasi pola aliran udara dan suhu dalam kandang dapat digunakan untuk mengetahui sebaran panas udara dalam kandang karena suhu udara kandang 1

18 adalah parameter yang sangat penting. Berbeda dengan kandang sistem terbuka yang mengandalkan ventilasi alami, pada kandang closed house, ventilasi menggunakan tekanan yang dihasilkan oleh kipas dan menggunakan evaporative cooling system sebagai sistem pendinginnya. Simulasi pola aliran udara dan suhu dalam kandang ini dilakukan dengan menggunakan program Engineering Fluid Dynamic (EFD) yang merupakan suatu software yang membantu membuat simulasi aliran udara dengan pendekatan teknik Computational Fluid Dynamics (CFD). B. Tujuan Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu : 1. Membuat simulasi aliran udara dan suhu di dalam kandang closed house dengan menggunakan teknik computational fluid dynamics. 2. Memahami dan menganalisa fenomena aliran udara dan distribusi suhu yang ada dalam kandang closed house melalui hasil simulasi yang telah dibuat. 3. Menjelaskan hubungan pola aliran udara dan distribusi dalam kandang closed house dengan kondisi lingkungan yang sesuai untuk produksi ayam. 2

19 II. TINJAUAN PUSTAKA A. Ayam Ras Broiler Ayam ras broiler adalah salah satu jenis ayam tipe pedaging yang dipelihara di Indonesia secara komersial. Kata broiler berasal dari daerah bagian timur negara Amerika Serikat yang berarti unggas yang sangat muda usianya (Leeson, 2000). Tipe ayam pedaging sebelumnya merupakan hasil sampingan dari produksi telur. Namun saat ini industri peternakan ayam modern telah banyak berdiri khusus untuk memproduksi ayam pedaging yang kegiatannya meliputi budidaya ayam pedaging dan industri pengolahan ayam. Saat ini, perubahan pada pembibitan ayam broiler (pedaging) dilakukan dengan memuliabiakkan secara teratur ayam bibit yang berbeda dan masing masing memiliki sifat unggul seperti pertumbuhan cepat, produksi telur tinggi, efisiensi pakan tinggi, dan tahan terhadap penyakit. Sifat yang unggul ini akan digabungkan menjadi satu dalam satu galur melalui program seleksi breed dan menyilangkannya (Fadillah et al., 2006). Pemeliharaan ayam broiler breeder untuk komersial pada periode pemanasan dimulai sejak DOC diterima hingga umur 3-4 minggu. Periode pemanasan sangat penting karena pada periode ini terjadi perkembangan fisiologis yang menentukan keberhasilan usaha ayam, yaitu periode pembentukan sistem kekebalan tubuh, sistem kardiovaskuler, pembentukan tubuh, dan awal pembentukan kerangka tubuh (Fadillah et al., 2006). Kondisi lingkungan yang tidak sesuai dengan karakteristik ayam dapat menyebabkan penurunan produksi hingga penyebaran penyakit. Penyakit pada ayam ras broiler yang disebabkan karena kualitas udara yang kurang baik antara lain flu burung, penyakit berak darah (Coccidiosis), Infectious Laryngotrachesis, Infectious Stunting Syndrome, Newcastle Disease atau tetelo (Fadillah et al., 2006). 3

20 Tabel 1. Beberapa kondisi lingkungan kandang dan akibatnya pada ayam Kondisi Akibat pada ayam Kelembaban tinggi Suhu tinggi Kecepatan angin tinggi Ayam mengalami heat stress dan memicu rendahnya feed intake Ayam mengalami heat stress karena terjadinya fluktuasi suhu yang tinggi antara siang dan malam. Ayam mengalami efek wind chill terutama pada anak ayam. Sumber: Anonim, 2007 Tabel 2. Pengaruh temperatur terhadap produksi unggas Suhu Pengaruh Terhadap Produksi < 10 C Menurunkan angka pertumbuhan dan produksi C Menurunkan efisiensi penggunaan makanan C Selang temperatur ideal C Terjadi penurunan dalam perolehan makanan, ukuran telur dan kualitas telur agak menurun C Pertumbuhan lambat, konsumsi makan menurun, ayam mulai terengah-engah kepanasan, produksi telur, ukuran telur dan kualitas sel menurun, serta konsumsi air minum meningkat C Unggas terserang stress, konsumsi makan menurun C Kemungkinan terjadi kematian Sumber: M. K Yoesoef, 1985 dalam Priyatno, 2002 Dalam Farrel (1979) menurut Cowan dan Michie (1978) mengatakan bahwa performa ayam ayam broiler menurun pada suhu diatas 23 o C. Dari laporan Harris et al. (1974) dalam Farrel (1979) juga mengatakan bahwa suhu optimum untuk pertumbuhan ayam broiler adalah pada suhu 21 o C sedangkan kisaran suhu dimana pertambahan berat badan ayam efisien antara 15 o C-27 o C. B. Kandang Tertutup (Closed House) Kandang tipe tertutup dibuat dengan tujuan agar keadaan lingkungan luar seperti udara panas, hujan, angin, dan intensitas sinar matahari tidak berpengaruh banyak terhadap keadaan dalam kandang. Sebagian besar kandang dibuat tertutup 4

21 dengan tembok, seng, atau layar, kecuali bagian ujung kandang untuk udara masuk (inlet) dan bagian ujung kandang satunya untuk tempat kipas (outlet) (Fadillah et al, 2006). Kandang ayam sistem tertutup harus mampu mengeluarkan gas gas beracun dan panas berlebih di dalam kandang yang dihasilkan dari ayam yang dipelihara. Sistem ventilasi di kandang tertutup merupakan bagian yang penting untuk diperhatikan karena berperan dalam sirkulasi udara. Sistem ventilasi di kandang tertutup tergantung dari jenis kipas yang digunakan. Berdasarkan cara kerja kipas, sistem ventilasi di kandang tertutup dibagi menjadi dua cara, yaitu mendorong udara masuk dan menyedot udara keluar (Fadillah et al, 2006). Sistem pendinginan atau cooling system yang diterapkan dalam kandang sistem tertutup diterapkan berbeda beda tergantung wilayah dan situasi iklim setempat. Di Indonesia kita bisa temukan sistem pendingin dengan menggunakan pad pendingin, media evaporative atau fogging system. Sistem ini memanfaatkan evaporasi air dari media pad atau media evaporative lainnya sehingga udara yang melintas pada media ini akan turun suhunya (Anonim, 2007). Unsur-unsur selain sistem ventilasi dan sistem pendinginan yang perlu diperhatikan dalam kandang sistem tertutup antara lain jenis kipas, dinding kandang, filter cahaya, masukan udara, sistem pencahayaan, panel kontrol, dan sistem elektrik (Anonim, 2007). Semua unsur tersebut menjadi satu kesatuan konsep global yang ada pada kandang closed house. C. Faktor Yang Mempengaruhi Distribusi Suhu di Kandang Closed House Ayam adalah hewan homeothermic atau berdarah panas yang harus mempertahankan suhu tubuhnya dalam rentang suhu yang sempit. Oleh karena itu agar ayam merasa nyaman perlu dibuat lingkungan yang sesuai dengan kondisi ayam tersebut. Suhu tubuh unggas lebih bervariasi daripada mamalia, oleh karena itu tidak ada suhu tubuh yang pasti untuk unggas. Untuk ayam dewasa suhu tubuhnya berkisar antara 105 o F-107 o F (40,6 o C- 41,7 o C) (Bell dan Weaver, 2001). 5

22 Faktor yang mempengaruhi parameter suhu dalam kandang adalah pindah panas dari tubuh ayam, sistem insulasi kandang, dan sistem ventilasi kandang. C.1 Pindah panas dari tubuh ayam ke lingkungan Dalam kandang terjadi proses pindah panas dari tubuh ke lingkungan sekitar kandang. Menurut Bell dan Weaver (2001), proses pindah panas itu terjadi dalam beberapa cara. Cara-cara terjadinya pindah panas adalah : 1. Radiasi Ketika temperatur dari tubuh ayam lebih besar daripada daerah batas sekitar atau lingkungan, maka terjadi perpindahan panas secara radiasi hingga panas daerah sekitar ayam atau lingkungannya sama dengan suhu tubuh ayam. 2. Konduksi Terjadi pindah panas ketika tubuh ayam kontak dengan permukaan dari objek lain yang suhunya lebih rendah seperti lantai atau dinding kandang. 3. Konveksi Ketika aliran udara dengan suhu lebih rendah daripada suhu ayam mengenai tubuh ayam tersebut sehingga suhu tubuh ayam turun. Sedangkan kegiatan yang dilakukan ayam yang menyebabkan terjadinya pindah panas di dalam kandang adalah: 1. Ekskresi Sejumlah kecil panas hilang dari tubuh ayam melalui pengeluaran ekskresi. 2. Produksi Telur Kehilangan panas lewat telur yang dikeluarkan oleh ayam. Tetapi ini adalah faktor minor yang kurang diperhitungkan. Faktor lainnya yang perlu diperhatikan untuk mengamati proses pindah panas dalam kandang adalah : 1. Panas Sensibel Panas yang terdeteksi pada tubuh ayam. 6

23 2. Panas Laten Seperti pada mamalia yang terjadi proses evaporasi melalui kelenjar keringat, ayam juga mengalami proses pendinginan secara evaporasi melalui penguapan dari lapisan lembab pada sistem respirasinya (paru paru dan pundi udara). C.2 Sistem insulasi dan konstruksi kandang Secara umum bangunan kandang harus kokoh dan kandang tidak boleh terlalu panas. Sistem insulasi atau sistem penyekat panas diberi harga dengan nilai R atau RSI. Nilai R dan RSI ini menunjukkan resistensi bahan terhadap panas. Angka tersebut menunjukkan besarnya daya sekat panas suatu bahan yang sering digunakan dalam kandang ayam. Tabel 3. Nilai insulasi untuk material dengan ketebalan 25 mm Material RSI R Fiberglass 0,60 3,40 Polystyrene 0,65 3,70 Polyurethane 1,00 5,70 Wood 0,30 1,70 Concrete 0,00 0,01 Window-single 0,15 0,85 Window-Thermal 0,33 1,87 Sumber : Leeson and Summers Broiler breeder production. Canada: UNIVERSITY Books Tabel 4. Nilai insulasi untuk kandang ayam dalam kondisi iklim yang berbeda Condition Wall Roof R RSI R RSI Hot Climate 2 0,35 8 1,40 Cold Climate 20 3, ,30 Sumber : Leeson and Summers Broiler breeder production. Canada: UNIVERSITY Books Material penyekat panas harus dalam tetap kering agar uap dapat berperan sebagai konduktor panas dan proses pindah panas dapat berlangsung optimal. Bahan material seperti polystyrene, polyurethanes, dan vermicullite tidak menyerap air sehingga tidak membutuhkan bahan pelapis untuk menahan uap. Tetapi untuk beberapa bahan material yang menyerap air seperti cellulose, fiberglass dan beberapa jenis produk wool akan menyerap panas dan 7

24 membutuhkan bahan yang menahan uap yang terpisah (Bell dan Weaver, 2006). C.3 Sistem ventilasi Ventilasi adalah hubungan antara masukan udara, kipas, dan pola angin yang terbentuk. Jenis kipas atau kombinasi kipas yang dipakai tergantung dari sistem ventilasi apa yang diterapkan (anonim, 2007). Sistem ventilasi di kandang closed house menurut cara kerja kipas secara umum dapat dibagi dua yaitu tekanan positif dan tekanan negatif. Cara kerja sistem ventilasi tekanan positif yaitu dengan cara mendorong udara masuk ke dalam kandang sedangkan sistem tekanan negatif bekerja kebalikannya yaitu mengalirkan udara ke luar kandang. Sistem ventilasi bertekanan dalam kandang closed house dapat dikelompokkan dalam dua jenis yaitu tunnel ventilation system dan cooling pad system (Fadillah et al., 2006). Dalam penelitian ini, kandang closed house yang diteliti termasuk dalam tunnel ventilation system. D. Suhu Efektif Ayam Suhu efektif adalah suhu yang dimanfaatkan oleh ternak untuk kehidupannya, dipengaruhi oleh suhu dan kelembaban udara, radiasi matahari dan kecepatan angin (West, 1994 dalam Yani Ahmad, 2007). Suhu efektif menunjukkan tingkat kenyamanan pada ayam broiler karena suhu efektif menggambarkan suhu yang benar-benar dirasakan oleh ayam. Keadaan paling kritis untuk ayam di kandang closed house adalah pada saat 1-2 jam setelah posisi matahari tertinggi. Karena pada waktu tersebut suhu udara mencapai suhu tertinggi. Suhu udara tertinggi pada 1-2 jam setelah posisi matahari tertinggi, dengan 43% radiasi matahari dipantulkan kembali, 43% diserap oleh permukaan bumi, dan 14% diserap oleh atmosfer (Anggraeni, 2007). Kelembaban relatif sangat berpengaruh terhadap suhu yang dirasakan ayam. Kelembaban relatif menurut Bell dan Weaver (2001) adalah kuantitas dari uap air di udara dibandingkan dengan kandungan uap air maksimum pada suhu tertentu. Semakin tinggi kelembaban relatif pada lingkungan akan menyebabkan tubuh ayam semakin sulit untuk mendinginkan suhu tubuhnya melalui sistem penguapan tubuhnya. Sedangkan kecepatan udara yang menerpa 8

25 tubuh ayam sangat membantu ayam untuk melepaskan panas dari tubuhnya karena terjadi konveksi panas dari permukaan kulit ayam ke udara yang bergerak. E. Computational Fluid Dynamics Computational Fluid Dynamics (CFD) berkembang dengan pesat ketika National Aerospace Plane (NASP) menjadikannya sebuah project pada tahun 1980 untuk menguji sebuah desain pesawat luar angkasa. CFD saat itu telah berkembang hingga dapat memperhitungkan aliran udara pada benda tumpul yang bergerak dalam kecepatan hipersonik. Saat ini CFD sudah digunakan dalam banyak bidang seperti bidang perencanaan desain otomotif dan mesin, industri manufaktur, arsitektur perkapalan, teknik sipil, dan bidang kajian lingkungan. Menurut Tuakia, 2008, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematikanya. Sedangkan menurut Anderson, 1995, Computational Fluid Dynamic adalah sebuah seni untuk menempatkan persamaan integral atau turunan parsial dari persamaan matematika fundamental fluida dengan bentuk aljabar diskret untuk mendapatkan nilai medan aliran pada titik-titik waktu dan koordinat tertentu. CFD merupakan pendekatan pemecahan permasalahan dari persamaan kontinum (sel tak hingga) menjadi suatu persamaan yang diskret (sel hingga). Perhitungan komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya metode beda hingga (finite difference method), metode element hingga (finite element method), metode volume hingga (finite volume method), metode elemen batas (boundary element method) dan metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method) (Tuakia, 2008). Teknik Computational Fluid Dynamics untuk memecahkan suatu persoalan aliran fluida saat ini dikembangkan menggunakan tiga pendekatan, yaitu pendekatan teori, percobaan, dan simulasi CFD (Anderson, 1995). Dengan ketiga pendekatan itu diharapkan CFD dapat berguna untuk membantu 9

26 menjelaskan hasil simulasi berdasarkan eksperimen yang dilakukan dan berdasarkan landasan teori yang ada. Membuat simulasi menggunakan teknik CFD di lakukan dalam tiga tahap proses utama yaitu Pra-pengolahan, pemecahan masalah dan pasca-pengolahan. 1. Pra-pengolahan Tahap ini berguna untuk mendefinisikan input dari simulasi yang akan di buat. Pada tahap Pra-pengolahan didefinisikan beberapa hal berikut sebagai input : a. Menentukan batas computational domain dari gambar geometri yang akan dianalisis. b. Menentukan sifat bahan gambar geometri dan sifat fluida yang akan dianalisis melalui modul engineering database yang tersedia. c. Menentukan tingkat mesh untuk analisis. d. Menentukan kondisi batas atau boundary condition yang akan dianalisis. e. Menentukan goals atau tujuan yang akan dihitung pada proses pemecahan masalah. Penentuan nilai parameter pada tahap Pra-pengolahan sangat ditentukan dengan pengamatan dan pemahaman terhadap kondisi dan situasi yang terjadi di lapangan. Semakin lengkap dan kompleks pendefinisian pada tahap Pra-pengolahan ini akan semakin tepat pula hasil yang didapat. Tetapi perlu juga diperhatikan sumberdaya komputer yang dimiliki dan waktu untuk melakukan simulasi karena akan membutuhkan sumberdaya dan waktu simulasi yang semakin besar. 2. Pemecahan masalah Tahap ini merupakan tahap untuk pencarian solusi berdasarkan definisi dari tahap pra-pengolahan. Persamaan untuk memecahkan input data dari pra-pengolahan dibangun dari tiga prinsip dasar fluida yaitu: 1. Hukum kekekalan massa. Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju net aliran massa ke dalam 10

27 11 f y y w z v z y u x v x y v V V y y p z vw x uv y v t v 2. ) ( ) ( ) ( ) ( 2 f x x w z u z y u x v y x u V V x x p z uw y uv x u t u 2. ) ( ) ( ) ( ) ( 2 f z x w z u x z v y w y z w V V z z p x uw y vw Z w t w 2. ) ( ) ( ) ( ) ( 2 elemen fluida dituliskan dalam bentuk persamaan kontinuitas tiga dimensi sebagai berikut (Anderson, 1995): t z w y v x u Dt D ) ( ) ( ) (....(1) dengan ρ merupakan masa jenis dari fluida dan t adalah waktu sedangkan u, v, w merupakan komponen dari vektor kecepatan dalam sumbu x, y, dan z yang diberikan dalam persamaan berikut: wk vj ui V....(2) dan i, j, dan k adalah unit vektor pada sumbu x, y,dan z. 2. Laju perubahan momentum Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton). Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes berikut (Anderson, 1995). Momentum x:....(3) Momentum y:...(4) Momentum z:...(5)

28 dengan u, v, dan w merupakan komponen dari vektor kecepatan dalam sumbu x, y, dan z, ρ adalah masa jenis fluida, p adalah tekanan, f adalah gaya per satuan masa yang dikenakan pada fluida, f x adalah f pada sumbu x, V adalah kecepatan skalar, V adalah kecepatan vektor, adalah koefisien viskositas molekular dan adalah -2/3. 3. Hukum kekekalan energi. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa : Laju perubahan energi partikel fluida sama dengan laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambah dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematik dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut (Anderson, 1995): 2 D V e q Dt 2 xx yx u x y z...(5) zx T k x x v x xy T k y y yy y zy z T k z z xz w x u v p x y yz y z Dengan e merupakan internal energi, k adalah konduktivitas panas, T adalah temperatur fluida, τ merupakan tegangan geser atau shear stress, sedangkan τ xy menunjukkan adanya tegangan geser pada arah sumbu x pada bidang yang tegak lurus dengan bidang sumbu y. zz w z 3. Pasca-pengolahan Tahap pasca-pengolahan adalah tahap untuk menampilkan hasil dari iterasi pemecahan persamaan pada tahap pemecahan masalah. Pada tahap pasca-pengolahan digunakan teknik komputer grafik untuk menampilkan hasil iterasi persamaan. Beberapa teknik komputer grafik yang biasa digunakan dalam CFD antara lain xy plots, contour plots, vector dan streamline plots, scatter plots, mesh plots, dan composite plots (Anderson, 1995). 12

29 F. EFD Lab EFD Lab adalah salah satu software yang membantu kita untuk membuat suatu simulasi fluida dengan pendekatan teknik computational fluid dynamic. EFD Lab mempunyai keunggulan dibandingkan software lain sejenis antara lain engineering database yang lebih lengkap dan dapat dengan mudah ditambahkan propertisnya, interface yang mudah digunakan, terdapat modul elektronik untuk simulasi aliran fluida yang berkenaan dengan elektronika, sudah mendukung simulasi dalam model yang mempunyai lubang-lubang kecil (porous media), analisis wall dengan memperhitungkan kekasaran permukaannya, dan peningkatan resolusi geometri. Di dalam EFD Lab secara umum akan menuntun pengguna untuk melakukan simulasi dengan tahap-tahap sebagai berikut: 1. Menentukan computational domain. Computational domain adalah batas area simulasi. Di EFD Lab terdapat dua tipe analisis yaitu internal flow dan external flow. Computational domain untuk internal flow meliputi seluruh area model geometri yang akan dianalisis dan untuk external flow berupa area prisma segi empat yang mencakup seluruh model geometri. 2. Menentukan initial dan boundary condition. Initial dan boundary condition adalah input data untuk melakukan simulasi. 3. Menentukan mesh. EFD Lab secara otomatis akan membagi mesh pada daerah computational domain sesuai dengan tingkat mesh yang dipilih. Pengguna dapat memperbaiki mesh yang telah dilakukan dengan melakukan refinement ketika perhitungan pada tahap solving berjalan. 4. Menjalankan iterasi perhitungan atau tahap solving. EFD Lab melakukan diskretisasi persamaan navier-stokes dan memecahkan persamaan itu dalam computational domain. 5. Menampilkan hasil. Hasil dari tahap solving ditampilkan dalam gambar geometri, grafik, dan tabel. EFD Lab juga dapat menampilkan hasil yang diperoleh dalam bentuk format microsoft excel, file ASCII, ataupun microsoft word. 13

30 G. Penelitian Terdahulu Yang Pernah Dilakukan Menggunakan CFD Sudah ada beberapa penelitian pernah dilakukan menggunakan teknik CFD. Muflihati (2006) telah melakukan penelitian tentang analisis pola aliran udara dan suhu pada kandang ayam pedaging beratap monitor menggunakan teknik computational fluid dynamic (CFD). Yani (2007), dalam tesisnya membahas analisis dan simulasi distribusi suhu udara pada kandang sapi perah menggunakan teknik CFD. Kedua judul penelitian tersebut menggunakan software fluent sebagai tools untuk pembuatan simulasi CFD nya. Asnawi (2009) melakukan penelitian mengenai pola aliran udara dan distribusi suhu pada greenhouse tipe standart peak menggunakan teknik CFD. Ni am (2009) melakukan simulasi dispersi gas polutan SO 2, H 2 S, dan CO dengan menggunakan teknik CFD. Berbeda dengan penelitian terdahulu yang membahas aliran udara dan proses pindah panas yang terjadi, penelitian ini membahas proses pindah massa dihubungkan dengan jenis polutan dan aliran udaranya pada cerobong asap pabrik industri. Software yang digunakan oleh Asnawi (2009) dan Ni am (2009) menggunakan software EFD Lab sebagai tools untuk membuat simulasi sama seperti yang digunakan pada penelitian ini. 14

31 METODOLOGI PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian Kegiatan penelitian di dilakukan pada bulan april hingga november 2009, sedangkan pengambilan data di kandang ayam closed house Cikabayan dilakukan pada masa pembesaran ayam bulan Mei B. Alat dan Bahan 1. Kandang ayam closed house Kandang ayam yang digunakan dalam penelitian kali ini adalah kandang ayam produksi closed house yang ada di lahan penelitian Cikabayan IPB dengan luas kandang 12 m X 120 m dan kapasitas ayam sebesar ekor (foto pada lampiran 9). 2. Ayam broiler Ayam broiler yang sedang dalam tahap pembesaran dalam kandang closed house. 3. Anemometer Mengukur besarnya kecepatan udara pada titik pengukuran yang ditentukan. 4. Kestrel Instrumen Instrumen standar yang digunakan untuk pengukuran parameter kontrol kelembaban udara, angin, dan suhu yang dimiliki oleh manajemen kandang closed house. Pada penelitian ini digunakan untuk mengukur nilai kelembaban udara. 5. Thermokopel dan hybrid recorder Untuk mengukur suhu di dalam ruangan yang meliputi suhu dinding, suhu udara, suhu atap, dan suhu pada ketinggian tertentu diatas permukaan lantai untuk validasi. 6. Kabel PVC ukuran ZAA Kabel digunakan sebagai sambungan thermokopel untuk memperluas area pengukuran. 15

32 7. Personal Computer PC yang digunakan memiliki spesifikasi Processor Core 2 duo 1,7 Ghz dengan RAM 1024 Mb. 8. EFD Lab 2008 Software(Engineering Fluid Dynamic) Software yang digunakan untuk membuat simulasi aliran udara. C. Pendekatan Permasalahan Untuk membuat suatu simulasi dalam EFD Lab 2008 kita perlu membuat batasan-batasan boundary condition untuk menyederhanakan kondisi di kandang closed house yang terlalu kompleks. Dalam penelitian ini digunakan batasan dan asumsi untuk simulasi sebagai berikut: 1. Udara bergerak dalam kondisi steady dan tidak terkompresi (uncompressible). 2. Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan. 3. Model kandang dalam simulasi dibuat dalam ukuran sesungguhnya atau memiliki perbandingan ukuran 1 : 1 terhadap kandang sebenarnya. 4. Simulasi dilakukan pada umur ayam 30 hari atau satu hari sebelum panen ayam karena pada umur inilah saat yang paling kritis untuk ayam terhadap pengaruh suhu lingkungan. 5. Simulasi dibuat dengan memasukkan inisialisasi panas ayam sebagai heat source yang didapatkan dalam literatur. 6. Sumber panas dari ayam diasumsikan sebagai area plat datar yang menghasilkan panas dan nilai panasnya sebanding dengan nilai panas ayam pada berat tertentu sesuai dengan pengamatan di kandang ayam produksi closed house. 7. Nilai inisialisasi panas lain dari konstruksi kandang ayam adalah panas pada tembok bawah (concrete), terpal plastik polyethilene (PE), dinding plat alumunium atas, dan atap alumunium. 16

33 8. Distribusi duhu udara pada tiap komponen kandang closed house pada batasan simulasi no 7 adalah seragam. 9. Inisialisasi panas yang lain seperti dari kotoran ayam, peralatan penunjang produksi dalam kandang tidak diinisialisasikan karena memperhatikan keterbatasan teknik simulasi dan sumberdaya komputer. D. Tahapan Kegiatan Penelitian D.1 Pemasangan kabel Termokopel pada kandang closed house Karena area yang diukur suhunya meliputi area yang sangat luas dan jumlah termokopel yang terbatas sehingga dilakukan penyambungan termokopel dengan kabel ukuran zaa. Hasil penyambungan termokopel dan kabel dikalibrasi dengan termometer standar. Cara kaibrasinya yaitu dengan menaikkan suhu termometer standar dan kabel termokopel di dalam medium air pada rentang suhu antara 30 o C-40 o C dan mencatat data nilai suhunya. Data nilai suhu dari termometer standar dan kabel termokopel tersebut dibuat nilai persamaan linear regresinya. Persamaan linear regresi tersebut digunakan untuk mendekati nilai suhu yang sebenarnya dari data yang diukur oleh kabel termokopel. Data hasil kalibrasi dapat dilihat pada lampiran 12 dan 13. D.2 Pengukuran dimensi dan menggambar geometri kandang ayam closed house Pengukuran dilakukan di semua bagian kandang yang akan di gambar geometrinya. Bentuk dan dimensi kandang digambar menggunakan program Solidworks Beberapa detail gambar dihilangkan agar gambar geometri dapat digunakan untuk membuat simulasi menggunakan EFD Lab Semakin detail gambar maka ukuran file dan jumlah solid cells makin besar sehingga kebutuhan physical memory untuk membuat simulasi menggunakan EFD Lab 2008 akan semakin besar pula. Detail yang dihilangkan antara lain bagian tiang-tiang penyangga, peralatan makan dan minum, serta detail papan dinding alumunium. 17

34 D.3 Pengukuran suhu, kecepatan angin, dan kelembaban udara dalam kandang closed house Kegiatan pengukuran dilakukan pada saat ayam umur 30 hari setelah sebelumnya dilakukan penelitian pendahuluan yaitu kegiatan pengukuran pada saat umur ayam 5 hari, 25 hari, dan 29 hari. Pengukuran suhu udara pada kandang menggunakan kabel termokopel dan datanya direkam dalam hybrid recorder dengan interval perekaman data setiap 10 menit dari jam hingga pukul Data pengukuran dapat dilihat pada lampiran 1. Titik pengukuran untuk validasi simulasi ditempatkan pada titik-titik pada koordinat berikut. Tabel 5. Titik pengukuran suhu untuk validasi Titik Koordinat x (m) y (m) z (m) Gambar 1. Denah titik pengukuran suhu tampak atas untuk validasi Besarnya kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Nilai inisialisasi outlet velocity kecepatan angin didapatkan dari pengukuran terhadap kecepatan angin di ujung bagian dalam exhaust fan. Sedangkan 18

35 untuk titik validasi kecepatan angin dilakukan pengukuran pada titik-titik berikut: Tabel 6. Titik koordinat pengukuran angin Koordinat Titik x (m) y (m) z (m) Gambar 2. Denah titik pengukuran kecepatan udara tampak atas untuk validasi Sedangkan untuk titik pengukuran yang digunakan sebagai nilai input untuk boundary condition pada proses pra-pengolahan adalah suhu atap alumunium, suhu terpal plastik PE, suhu tembok bawah, dan suhu dinding alumunium bagian atas. Nilai kelembaban udara diukur menggunakan kestrel instrument. Titik pengukuran kelembaban udara berada pada titiktitik berikut. 19

36 Tabel 7. Titik koordinat pengukuran kelembaban udara Titik Koordinat x (m) y (m) z (m) Gambar 3. Denah titik pengukuran kelembaban udara tampak atas untuk validasi D.4 Pembuatan simulasi menggunakan EFD Lab 2008 Data yang digunakan untuk membuat simulasi analisis pola aliran udara dan distribusi suhu pada kandang closed house adalah data pada pada pukul saat ayam yang berumur 30 hari. Pengambilan data dipilih ketika umur ayam 30 hari karena ayam pada umur 4 minggu hingga panen paling rentan terhadap suhu tinggi. D.4.1 Pra-pengolahan Pembuatan simulasi dimulai pada tahap pra-pengolahan. Pada tahap ini ditentukan jenis analisis aliran adalah analisis aliran internal, jenis fluida adalah udara, tidak memasukkan analisis time dependency atau merupakan analisis steady state, dan masukan boundary condition meliputi : 20

37 a. Pressure opening Inisialisasi pressure opening diberikan pada dua evaporative pad pada bagian depan samping kanan dan kiri kandang closed house sebagai saluran udara masuk. Tipe yang diberikan adalah environment pressure. EFD Lab 2008 menganalisis Environment pressure sebagai static pressure jika ada aliran udara keluar dan sebagai total pressure jika ada aliran udara masuk. Initial condition untuk kondisi udara lingkungan berdasar pengukuran adalah suhu sebesar 32.7 o C dan kelembaban udara sebesar 71%. b. Output Flow Output flow dalam simulasi ini berupa 8 buah exhaust fan yang menghisap udara dari dalam kandang ke luar kandang. Output flow berupa masukan outlet velocity dari rataan hasil pengukuran kecepatan setiap exhaust fan di dalam kandang closed house. Nilai kecepatan angin untuk outlet velocity berdasar pengukuran di ujung dalam fan kandang closed house sebesar 5 m/s. c. Heat source Panas ayam diinisialisasikan sebagai heat source berupa tiga buah permukaan lembaran plat setebal 1cm yang menghasilkan panas di dasar lantai kandang. Luasan tiga lembaran tersebut menggambarkan sebaran ayam dalam kandang closed house yang dibagi dalam tiga area sekat-sekat dengan kepadatan tertentu. Kapasitas kandang ayam adalah ekor. Pada umur 30 hari jumlahnya menjadi ekor karena ada tingkat kematian ayam sebesar 1%. Jika ayam dewasa siap panen menghasilkan panas ayam sebesar 11,02 BTU/jam per Kg berat ayam atau setara dengan 3,2 watt per Kg berat ayam (Anonim, 2007), maka dengan rata-rata berat ayam siap panen di kandang sebesar 1,8 Kg didapatkan nilai kalor seluruh ayam adalah 114,048 KW. Nilai kalor tersebut dibagikan dalam tiga area plat berdasar pengamatan 21

38 bahwa area I sebesar 35% dari jumlah ayam dengan heat surface sebesar 39,92 KW, area II sebesar 40% dari jumlah ayam dengan heat surface sebesar 45,62 KW, dan area III sebesar 25% jumlah ayam dengan heat surface sebesar 28,51 KW. d. Real wall Panas dari bahan konstruksi dimasukkan dalam real wall. Real wall adalah inisialisasi panas pada bagian konstruksi kandang yang nilainya didapatkan dari hasil pengukuran di kandang closed house. Atap kandang adalah bahan alumunium dengan suhu permukaan 33,5 0 C. Tembok bawah adalah bahan tembok bata plester dengan suhu permukaan 32,3 0 C. Tirai terpal adalah bahan plastik PE dengan suhu permukaan 37,9 0 C. Dinding penyangga atas adalah bahan alumunium dengan suhu permukaan 34,6 0 C. e. Global goals Global goals merupakan parameter fisik yang akan dimasukkan di seluruh computational domain dalam proses perhitungan. Global goals yang dimasukkan meliputi average total pressure, average temperature fluid, min temperature fluid, average velocity, max velocity, dan min velocity. Global goals merupakan acuan untuk mengakhiri iterasi pada simulasi. Iterasi akan berhenti ketika seluruh global goals sudah mencapai nilai kovergen. Tahap berikutnya dalam inisialisasi boundary condition adalah tahap penentuan mesh atau meshing. Mesh adalah bagian-bagian kecil pemecahan dari seluruh computational domain sebagai area-area perhitungan. Pemilihan mesh didahului dengan percobaaan penentuan mesh yang sesuai menggunakan gambar geometri kandang yang ada dengan masukan boundary condition dan global goals yang lebih sederhana untuk mempercepat proses iterasi. Bila nilai dari global goals dan sudah mendekati, maka proses pemilihan mesh selesai. 22

39 Pilihan mesh juga memperhatikan jumlah physical memory yang disediakan oleh komputer. Makin tinggi tingkat pilihan mesh maka akan makin besar kebutuhan physical memory. Pada simulasi ini dipilih menggunakan mesh tingkat 5. D.4.2 Pemecahan masalah Tahap pemecahan masalah yaitu tahap untuk melakukan perhitungan secara otomatis oleh EFD Lab Pengamatan proses perhitungan dapat dilihat melalui menu calculation control option selama proses perhitungan agar diketahui ada tidaknya kesalahan atau error dalam perhitungan. Di dalam menu calculation control option ini juga terdapat informasi mengenai waktu perhitungan, jumlah cells dalam geometri yang dipilih, dan informasi lain yang sangat berguna untuk memonitor proses perhitungan. D.4.3 Pasca-pengolahan Setelah hasil running pada tahap pemecahan masalah diyakini sudah benar maka hasil simulasi yang dibuat dapat ditampilkan dengan beberapa macam cara yang terdapat dalam EFD Lab 2008 antara lain dengan cara cut-plot dan flow trajectories. Parameter utama yang di tampilkan meliputi kecepatan udara, suhu, tekanan udara. Sedangkan untuk parameter kelembaban udara walaupun tidak di atur memenuhi kondisi sebenarnya seperti di kandang dan tidak bisa dijadikan acuan simulasi keadaan sebenarnya, tetap ditampilkan untuk mengetahui hasil simulasinya menggunakan CFD. 23

40 Mulai Pembuatan geometri (part) Pendefinisisan material geometri Penyusunan struktur geometri (assembly) Pre-processor Set kondisi umum (ambien) Set domain, boundary condition dan goal parameter Run Solver Meshing Calculation Tidak kovergen Ya Post-processor Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter Mesh dependency test Tidak Memenuhi kriteria Ya selesai Gambar 4. Diagram alir proses simulasi distribusi suhu udara dalam greenhouse menggunakan software EFD 24

41 E. Validasi hasil simulasi Validasi dilakukan untuk membandingkan hasil pengukuran dengan hasil perhitungan (suhu) pada titik-titik tertentu yang diinginkan. Validasi hasil simulasi dapat dilakukan dengan menghitung nilai Standard Error Prediction (SEP), bias ( d ), Coefficient of Variation (CV) dan Average Precentage of Deviation (APD). SEP n i1 Ya Yp n (9) d n i1 Yp Ya n... (10) SEP CV 100%...(11) Ya 100 APD n n i1 Ya Yp Ya 2... (12) Dimana : Ya = nilai aktual pengukuran Yp = nilai hasil simulasi n = jumlah data Ya = nilai rata-rata aktual pengukuran Hasil simulasi dikatakan baik jika nilai SEP yang diperoleh dibawah 4.0, nilai bias mendekati nol, nilai CV dibawah 5% (Wahyuningsih, 2007). Validasi hasil simulasi juga ditentukan dari nilai APD. Jika nilai APD mendekati nilai 0 maka hasil simulasi makin baik (Arif C, 2008). Nilai bias yang negatif menunjukkan nilai hasil simulasi yang selalu lebih tinggi dari nilai aktual. 25

42 IV. PEMBAHASAN A. Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Hasil Simulasi CFD Simulasi distribusi pola aliran udara dan suhu dilakukan pada saat ayam produksi sehingga dalam simulasi terdapat inisialisasi panas ayam yang mempengaruhi suhu lingkungan kandang. Pengukuran suhu di kandang dilakukan pada pukul 10:00 WIB hingga pukul 16:00 WIB dengan keadaan cuaca cerah. Simulasi tidak memasukkan analisis time dependency sehingga hanya digunakan satu data yang mewakili suhu lingkungan maksimum yaitu pada pukul 13:00. Evaporative pad area udara masuk/inlet Area I, 5940 ekor ayam Area II, 8910 ekor ayam Area III, 4950 ekor ayam Exhaust fan area udara keluar/outlet Gambar 5. Geometri kandang piktorial dengan bagian atap disembunyikan (hidden). Bentuk geometri dari ayam diasumsikan sebagai plat datar setebal 1 cm yang tidak mempengaruhi aliran dalam simulasi. Plat datar tersebut dibagi dalam tiga area yang menggambarkan perbandingan jumlah ayam dalam tiap area seperti ditunjukkan pada gambar 5. Dua area inlet udara berada pada evaporative pad bagian depan didefinisikan sebagai environment pressure. Exhaust fan didefinisikan sebagai outlet velocity. Sedangkan hubungan perbedaan tekanan (Pa) dan debit aliran tidak didefinisikan karena sudah diwakili dengan data kecepatan angin dan arah aliran didefinisikan tegak lurus terhadap permukaan fan. Keterbatasan definisi exhaust fan disebabkan karena data spesifikasi exhaust fan 26

43 yang digunakan di kandang tidak tersedia baik di modul engineering database software EFD Lab 2008 ataupun tercatat di kandang closed house tempat penelitian. Pemilihan mesh menggunakan pilihan mesh tingkat 5 setelah melalui proses mesh dependency test. Jumlah seluruh cell yang terbentuk pada mesh tingkat 5 berjumlah cells yang terdiri dari fluid cells berjumlah cells dan solid cells berjumlah cells dan iterasi dilakukan hingga global goals mencapai kovergen selama 420 kali iterasi. Hasil simulasi ditampilkan dalam bentuk cut plot contour dan vector. Penyajian gambar hasil simulasi tampak atas ditampilkan pada ketinggian 0,25 meter, 0,45 meter, dan 1,7 meter untuk menunjukkan adanya perbedaan profil pada setiap ketinggian. Profil pada ketinggian 0,25 meter dapat juga mewakili ketinggian pada daerah habitat ayam sedangkan profil pada ketinggian 1,7 meter dapat mewakili ketinggian manusia ketika berdiri. Drag force Daerah separasi aliran Drag force Daerah pertemuan dua aliran udara Gambar 6. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi aliran udara pada inlet Pada gambar 6 menggambarkan udara masuk dari dua ujung evaporatif pad karena adanya hisapan dari exhaust fan yang bekerja. Terjadi desakan udara pada ujung evaporative pad sehingga timbul drag force. Drag force adalah gaya dari fluida yang mendesak suatu benda pada arah aliran fluida tersebut (Cengel dan Turner, 2001). Aliran udara masuk yang tertahan itu disebabkan adanya sudut pada ruang pemisah antara evaporative pad dan kandang. Pemberian ruang 27

44 pemisah berfungsi untuk mengeliminir efek wind chill (anonim, 2007). Efek wind chill adalah penurunan suhu yang drastis dirasakan oleh ayam karena hembusan angin yang terlalu kencang. Akibat timbulnya drag force pada sudut di ruang pemisah, menyebabkan adanya flow separation atau pemisahan aliran. Pemisahan aliran adalah fenomena ketika aliran fluida berpisah dari permukaan benda setelah sebelumnya aliran mengikuti kontur permukaan benda tersebut. Area pemisahan ini tergantung dari beberapa faktor seperti bilangan reynold dan kekasaran permukaan benda. Makin besar tekanan akibat drag force maka makin besar pula daerah pemisahan aliran yang terjadi (Cengel dan Turner, 2001). Penurunan kecepatan aliran terjadi pada daerah separasi. Di luar daerah separasi, kecepatan aliran udara bertambah karena adanya pertemuan antara dua aliran udara dari kedua ujung evaporative pad. Ketika aliran udara menabrak sudut dinding pemisah meyebabkan aliran terdesak pada daerah pertemuan dua aliran udara. Pada area ini kecepatan aliran udara bertambah karena berkurangnya daerah efektif aliran. Gambar 7. Cut plot contour parameter kecepatan udara pada iterasi ke-330 tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang 28

45 Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada iterasi ke-420 parameter kecepatan udara tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang Setelah aliran udara masuk melewati inlet dan bertumbukan sehingga menyebabkan bertambahnya kecepatan di area pertemuan dua aliran yang masuk dari inlet, aliran udara menjadi terganggu sebelum akhirnya membentuk aliran berkembang penuh. Gangguan pada aliran udara ini disebabkan karena adanya tumbukan dua aliran udara dari dua inlet yang berbeda. Pada gambar 7 tampak aliran udara menabrak dinding kandang sehingga aliran udara tersebut tidak membentuk aliran berkembang penuh. Aliran berkembang penuh atau fully development flow adalah suatu profil aliran dimana profil alirannya konstan atau stabil (Cengel dan Turner, 2001). Aliran udara yang tidak stabil itu membentuk gelombang yang berubah-rubah tiap waktu. Pada gambar 7 menggambarkan pada ketinggian 0,25 meter dan 0,45 meter kecepatan aliran udara semakin merata dan kecepatan alirannya semakin rendah. Hal ini disebabkan karena letak profil aliran 29

46 udara tersebut berada dibawah evaporative pad sebagai inlet udara masuk. Ketinggian evaporative pad tersebut berada pada ketinggian 0,65 meter hingga 2,25 meter diatas lantai kandang. Kecepatan yang cenderung lebih merata dan lebih rendah pada area ketinggian habitat ayam akan mengurangi efek wind chill, membuat performansi ayam lebih merata, dan mencegah terangkatnya debu dan kotoran dari lapisan litter ayam di lantai. Pada gambar 8 menunjukkan cut plot contour tampak depan kecepatan aliran udara pada model kandang closed house. Gambar tersebut menunjukkan adanya kenaikan kecepatan aliran udara pada area inlet disebabkan adanya tumbukan aliran udara dari kedua inlet. Lalu aliran mulai stabil setelah menjauhi inlet. Pada gambar 9 ditampilkan gambar tekanan udara tampak atas. Gambar tersebut menggambarkan tekanan pada ujung inlet rendah sedangkan pada sepanjang daerah aliran udara setelah inlet, aliran udara relatif konstan. Fenomena ini secara umum dapat dijelaskan dengan hukum bernouli yang menyatakan bahwa jumlah dari energi kinetik, energi potensial, dan energi aliran fluida adalah konstan selama aliran fluida merupakan aliran yang tak termampatkan atau incompressible dan gaya gesek diabaikan (Cengel dan Cimbala, 2006 ). Tekanan pada ujung inlet tinggi berbanding terbalik dengan kecepatan aliran udara pada area tersebut yang rendah karena udara baru masuk dan belum terjadi tumbukan. Pada area terjadinya pertemuan dua aliran udara, tekanan menjadi semakin rendah karena kecepatan udara pada area ini semakin tinggi. 30

47 Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi profil kecepatan udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) Peristiwa pindah panas yang paling mempengaruhi dalam kandang closed house adalah pindah panas konveksi dari ayam ke udara karena adanya aliran udara secara mekanis yang disebabkan beroperasinya exhaust fan. Adanya 31

48 peristiwa konveksi paksa itu dapat dilihat pada gambar 10. Inisialisasi panas ayam menggunakan definisi heat source dari plat datar. Sedangkan panas dari konstruksi bangunan didefinisikan sebagai real wall dari permukaan konstruksi bangunan tersebut. Definisi heat soure merupakan prinsip heat flux konstan sedangkan real wall merupakan prinsip temperatur konstan dalam pindah panas konveksi. Gambar 9. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter tekanan udara tampak atas pada:(a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang 32

49 Gambar 10. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter suhu tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang Konveksi paksa pada tubuh terjadi ketika aliran udara menerpa tubuhnya. Konveksi paksa tersebut menyebabkan berkumpulnya panas di ujung outlet. Semakin dekat dengan sumber panasnya, profil akumulasi panas semakin terlihat jelas. Suhu udara pada area kandang yang tidak merata ini dapat mengurangi performansi ayam, sehingga perlu dilakukan pengaturan kepadatan ayam. Pengaturan kepadatan ayam dilakukan dengan cara di bagian belakang lebih rendah daripada kepadatan ayam di bagian tengah dan depan seperti yang dilakukan pada simulasi ini. Kepadatan ayam pada area tiga yang berada di bagian belakang dibuat paling rendah kepadatannya untuk mengurangi heat stress pada ayam karena adanya akumulasi panas yang dihisap oleh exhaust fan. 33

50 Exhaust fan Evaporative ad Gambar 11. Cut plot tampak samping profil temperatur udara pada kandang Pada gambar 11 menggambarkan terbentuknya thermal boundary layer akibat adanya konveksi paksa pada suatu permukaan benda yang memiliki suhu dibawah atau diatas suhu dari fluida yang mengalir pada permukaannya. Thermal boundary layer adalah daerah aliran fluida diatas permukaan benda dimana variasi suhunya terhadap arah normal atau tegak lurus terhadap permukaan benda tersebut cukup signifikan (Cengel dan Turner, 2001). Ketebalan dari thermal boundary layer pada kandang closed house ini terus bertambah hingga ujung dari aliran udara atau di area exhaust fan. Profil thermal boundary layer menunjukkan peristiwa konveksi pindah panas antara permukaan benda dan fluida. Jika terdapat aliran fluida diatas permukaan benda yang dipanaskan atau didinginkan, velocity boundary layer dan thermal boundary layer akan terbentuk secara simultan. Fenomena ini menunjukkan kecepatan udara yang mengalir di atas permukaan benda tersebut mempunyai pengaruh besar terhadap konveksi pindah panas yang terjadi (Cengel dan Turner, 2001). Pada gambar 12 menggambarkan bahwa panas akibat konveksi dari material atap relatif tidak berpengaruh terhadap ayam. Konveksi panas dari ayam dan bagian dinding terpal cenderung lebih berpengaruh signifikan dan panasnya akan terakumulasi pada kandang bagian belakang. 34

51 Gambar 12. Cut plot contour dan vector profil temperatur udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) Parameter kelembaban udara juga disimulasikan dalam penelitian ini. Tetapi perhitungan kelembaban udara tidak memperhitungkan adanya penguapan yang terjadi pada tubuh ayam, udara pernapasan ayam, litter, dan penguapan dari bahan-bahan cair seperti air minum ayam dalam kandang. Tampak pada gambar 13, pola penyebaran profil kelembaban udara makin tinggi di daerah inlet. 35

52 Tingginya kelembaban udara di area inlet akan menyebabkan heat index ayam makin tinggi. Makin tinggi heat index ayam mengindikasikan makin rentannya ayam mengalami heat stress. Tetapi kecenderungan ini dieliminir dengan kecepatan udara yang tinggi pada daerah inlet yang menghasilkan suhu efektif terbaik untuk ayam. Tingkat kelembaban udara yang tinggi di bagian area inlet akan bertambah jika dioperasikannya evaporative pad cooling. Kondisi ini tidak baik untuk performansi ayam karena litter yang mengandung amonia dari kotoran ayam sulit menguap sehingga pengaturan kepadatan ayam pada area ini dibuat lebih rendah daripada pada area dua di bagian tengah kandang. Dengan pengaturan kepadatan tersebut diharapkan kandungan amonia udara pada area satu tidak terlalu tinggi. Gambar 13. Cut plot dan vector parameter kelembaban udara tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang 36

53 Gambar 14. Grafik nilai kecepatan aliran udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris Data hasil pengukuran dan simulasi di plot pada titik-pengukuran validasi yang sebaris untuk mengetahui pola aliran udara, distribusi suhu dan kelembaban relatif. Letak titik pengukuran dapat dilihat pada gambar 1, gambar 2, dan gambar 3. Dari grafik kecepatan aliran udara pada gambar 14 tampak bahwa kecepatan aliran udara makin jauh dari inlet kecepatannya makin turun. Titik pengukuran nomor satu dan nomor dua terletak pada area pertemuan dua aliran udara sehingga nilainya menunjukkan angka paling tinggi. Setelah itu kecepatan udara cenderung turun di sepanjang alirannya dan kecepannya naik kembali ketika tiba di ujung outlet. Suhu pada kandang closed house cenderung naik pada ujung inlet. Tetapi konturnya cenderung tidak seragam karena parameter suhu di kandang dipengaruhi banyak hal seperti konduksi dinding, terpal, hembusan angin, dan konveksi panas dari ayam. Titik pengukuran nomor sembilan tidak valid karena termokopel pada titik tersebut rusak sehingga bisa diabaikan. Distribusi kelembaban relatif cenderung turun semakin menjauhi inlet udara. Suhu dan kelembaban di daerah tropis memiliki karakter yang berlawanan. Jika suhu nya tinggi maka kelembaban relatifnya cenderung rendah dan sebaliknya jika suhunya rendah maka kelembaban relatifnya cenderung tinggi. 37

54 Gambar 15. Grafik nilai suhu udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris Gambar 16. Grafik nilai kelembaban relatif udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris 38

55 B. Validasi Validasi yang dilakukan pada simulasi ini meliputi validasi pengukuran dan validasi mesh. Validasi pengukuran dilakukan dengan menghitung nilai Standard Error Prediction (SEP), bias ( d ), Coefficient of Variation (CV) dan Average Precentage of Deviation (APD). Hasil simulasi dikatakan baik jika nilai SEP yang diperoleh dibawah 4.0, nilai bias mendekati nol, nilai CV dibawah 5%, dan nilai APD mendekati 0. Setelah dilakukan simulasi dan dilakukan perhitungan, didapatkan bahwa nilai SEP untuk parameter suhu sebesar 1,653, nilai bias sebesar 0,89, nilai CV sebesar 4,99% dan nilai APD sebesar 6,4. Nilai validasi untuk parameter suhu sangat baik dikarenakan nilai SEP nya di bawah 4.0 dan CV dibawah 5%. Ini menunjukkan bahwa pendefinisian dalam simulasi untuk parameter suhu sudah cukup baik sehingga hasil simulasi dapat dipercaya. Walaupun begitu dari pengamatan di lapangan selama pengukuran ada termokopel yang kurang baik kondisinya di titik pengukuran tertentu. Grafik Suhu kecepatan udara (m/s) pengukuran aktual hasil simulasi titik pengukuran Gambar 17. Grafik nilai suhu aktual dan hasil simulasi Kecepatan aliran udara mempunyai tingkat validasi yang baik. Untuk parameter kecepatan aliran udara didapatkan nilai SEP sebesar 0,3, nilai bias sebesar 0,39, nilai CV sebesar 15,28% dan nilai APD sebesar 10,63. Tingkat validasi cukup baik karena nilai SEP dibawah 4.0 tetapi nilai CV diatas 5%. ini disebabkan karena pendefinisian exhaust fan pada kandang hanya memasukkan 39

56 nilai kecepatan udara hasil pengukuran. Faktor lain yang mempengaruhi adalah definisi kondisi udara pada simulasi adalah udara ideal sedangkan udara pada kandang closed house sebenarnya memiliki kandungan gas-gas seperti amonia, debu dari litter yang terbawa aliran udara, dan kandungan material lainnya. kecepatan udara (m/s) Grafik Kecepatan Aliran Udara pengukuran aktual hasil simulasi titik pengukuran Gambar 18. Grafik nilai kecepatan udara aktual dan hasil simulasi Untuk meningkatkan tingkat validasi dibutuhkan data spesifikasi kipas yang sesungguhnya berupa data hubungan antara tekanan dan debit udara. Data lain yang dapat dimasukkan dalam definisi fan di EFD Lab untuk mendekati nilai validasi yang baik adalah data intensitas turbulensi udara dan kecepatan angular exhaust fan. Validasi untuk kelembaban udara dilakukan dengan cara yang sama yaitu menghitung nilai SEP, bias, dan nilai APD. Nilai SEP sebesar 17,49, nilai bias sebesar -3,33, nilai CV sebesar 25,21% dan nilai APD sebesar 15,12. Tingkat validasi untuk parameter kelembaban udara tidak baik karena tidak memenuhi kriteria, tetapi pola profil kelembaban udara yang digambarkan dalam simulasi dapat dipercaya karena data antara pengukuran aktual dan nilai simulasi menunjukkan pola yang sama seperti ditunjukkan pada gambar 15. Rendahnya tingkat validasi kelembaban udara disebabkan karena tidak diperhitungkan adanya faktor penguapan dari ayam dan bahan cairan lain di kandang. Faktor penguapan dari ayam dan bahan cairan lain tidak diperhitungkan dalam kandang disebabkan terlalu kompleksnya mekanisme penguapan tersebut untuk disimulasikan. 40

57 Grafik Kelembapan Relatif 75 kelembapan relatif (m/s) titik pengukuran pengukuran aktual hasil simulasi Gambar 19. Grafik nilai kelembaban udara aktual dan hasil simulasi Pada simulasi dengan program EFD Lab juga diperlukan validasi mesh. Validasi mesh dilakukan dengan mengubah-ubah level mesh hingga hasil yang diperoleh tidak berbeda jauh. Pada keadaan pertama level mesh 3 (default) diubah ke level mesh yang lebih tinggi. Dari proses tersebut hasil yang didapatkan pada level mesh 4 dan 5 tidak memiliki perbedaan begitu besar, sehingga level mesh 5 bisa digunakan untuk proses simulasi. C. Kondisi Lingkungan yang Sesuai Untuk Ayam dan Fenomena Aliran Yang Ada Dalam Kandang Closed house Kandang closed house didesain untuk menyediakan udara yang sehat bagi peternakan ayam dan menyediakan iklim mikro yang nyaman untuk ayam. Udara yang sehat yaitu udara yang mengandung sebanyak-banyaknya oksigen, dan mengeluarkan sesegera mungkin gas-gas berbahaya seperti karbondioksida dan amonia. Prinsipnya yaitu pergantian udara dalam kandang secara cepat dan lancar (anonim, 2007). Dari pengukuran diketahui bahwa debit aliran udara untuk pergantian udara di kandang ketika semua exhaust fan menyala adalah sebesar 50,18 m 3 /s. Iklim mikro yang nyaman dalam kandang dicapai dengan cara mengeluarkan panas dari kandang yang dihasilkan tubuh ayam dan lingkungan ke luar kandang, menurunkan suhu udara yang masuk, serta mengatur kelembaban yang sesuai. Kenyamanan thermal ayam dapat diketahui melalui suhu efektif 41

58 ayam. Suhu efektif ini dipengaruhi oleh tiga faktor yaitu suhu aktual, tingkat kelembaban dan kecepatan angin. Kenaikan suhu aktual dalam kandang akan langsung dirasakan oleh ayam. Sedangkan kenaikan kelembaban udara akan mengurangi kemampuan tubuh ayam untuk mengeluarkan panas tubuhnya melalui pengeluaran uap air baik melalui kulit atau pernapasan. Gejala ini memicu rendahnya feed intake dan efek penting pada ayam. Kecepatan aliran udara akan membantu ayam untuk melepaskan panas tubuhnya melalui konveksi paksa yang ditimbulkan dari efek aliran udara dari exhaust fan. Dari hasil simulasi diketahui bahwa suhu rata-rata dalam kandang closed house sebesar 33,5 o C. Di kandang closed house cikabayan IPB tempat penelitian ini berlangsung, untuk mengetahui suhu efektif ayam dapat didekati melalui tabel temperatur efektif seperti ditunjukkan dalam contoh tabel pada lampiran 5. Pemilihan bahan bangunan kandang mempengaruhi suhu aktual dalam kandang karena berhubungan dengan proses radiasi, konduksi, dan konveksi bahan ke lingkungan kandang. Pengaturan pengoperasian sistem evaporative cooling pad bersama dengan kecepatan angin mempengaruhi tingkat kelembaban dan suhu dalam kandang. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan mengatur jumlah exhaust fan yang dioperasikan. Pengaturan ini terutama penting ketika ayam sudah berumur dewasa dan suhu lingkungan sangat tinggi untuk menjaga tingkat kematian ayam dan menjaga performansi ayam. Menurut Simmons JD, 2003, pengaruh kecepatan udara pada ayam broiler umur 3-4 minggu tidak berpengaruh terhadap pertambahan berat badan ayam. Tetapi pada umur 4-5 minggu, kecepatan 2 m/s 3 m/s secara signifikan dapat mempengaruhi pertambahan berat badan ayam. Berdasarkan data simulasi, kecepatan udara dalam kandang closed house cukup baik untuk menambah berat ayam karena diketahui bahwa kecepatan udara rata-rata di kandang sebesar 2,28 m/s. Dari data yang ada, suhu udara rata-rata hasil simulasi sebesar 33,53 o C, kecepatan udara rata-rata sebesar 2,28 m/s, dan kelembaban relatif hasil pengukuran dilapangan sebesar 71% maka didapatkan suhu efektif ayam pada waktu pengukuran sekitar 25 o C. Menurut Harris et al. (1974) dalam Farrel (1979) kisaran suhu dimana pertambahan berat badan ayam efisien antara 15 o C-27 o C sehingga dengan suhu efektif ayam sekitar 25 o C, performa ayam masih baik. 42

59 Melalui pengoperasian kandang yang baik dapat menekan tingkat kematian ayam hingga kematian maksimal ayam hanya 2% pada setiap satu masa produksi. Pada kandang biasa terjadi kematian massal karena ayam mengalami heat stress yang berlebihan. Namun pengoperasian dan pengaturan kandang ayam closed house yang tidak sesuai bisa menyebabkan turunnya tingkat produksi pada kandang tersebut secara drastis. 43

60 V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian Simulasi profil aliran udara dan distribusi suhu pada kandang closed house menggunakan CFD adalah: 1. Dihasilkan simulasi pola aliran udara dan distribusi suhu pada kandang closed house Cikabayan IPB dengan tingkat mesh 5 dan diketahui adanya pola aliran udara yang tidak stabil akibat adannya pertemuan dua aliran udara di inlet. Kecepatan udara paling tinggi berada di daerah pertemuan dua aliran udara di inlet dan distribusi suhu yang paling tinggi berada di bagian outlet karena adanya akumulasi panas akibat adanya aliran udara yang menuju outlet. 2. Simulasi parameter kelembaban udara belum bisa menunjukkan keadaan yang sebenarnya di kandang ayam closed house karena definisi adanya penguapan air akibat aktivitas yang ada dalam kandang tidak didefinisikan. 3. Pola aliran udara dan distribusi suhu dalam kandang cukup baik pada waktu dilakukan pengukuran dan simulasi. Dari hasil simulasi diketahui suhu rata-rata kandang sebesar 33,53 o C dan kecepatan udara 2,28 m/s. Nilai kelembaban udara hasil pengukuran dalam kandang sebesar 71% sehingga didapatkan nilai suhu efektif ayam sekitar 25 o C. Suhu efektif 25 o C tersebut masih dalam selang suhu ideal untuk unggas dan pertumbuhan berat badan ayam efisien. 4. Pengaturan kepadatan ayam di kandang sudah sesuai dengan kondisi distribusi suhu yang ada dalam kandang. Kepadatan ayam paling sedikit ada pada bagian outlet karena pada bagian outlet suhunya paling tinggi akibat adanya akumulasi panas. 44

61 B. Saran Beberapa saran yang direkomendasikan dalam penelitian ini antara lain: 1. Keakuratan dan tingkat kepercayaan hasil simulasi dapat ditingkatkan dengan melengkapi data-data untuk input pada boundary condition seperti data hubungan tekanan dan kecepatan udara exhaust fan dan intensitas turbulensi yang diakibatkan oleh exhaust fan. 2. Untuk memperjelas gambaran fenomena pertemuan dua aliran udara di inlet dapat dilakukan refinement mesh dari basic mesh yang didefinisikan di initial condition. 3. Untuk mengetahui pengaruh dari radiasi matahari dalam simulasi dapat memasukkan definisi time-dependency dalam pendefinisian initial condition. 4. Diharapkan hasil pengamatan visual tentang pola aliran udara dan distribusi suhu dari hasil penelitian ini dapat menjadi bahan evaluasi dan bahan pertimbangan ilmiah maupun praktis untuk pengembangan kandang ayam closed house yang lebih obyektif dan akurat, khususnya di negara tropis. 45

62 DAFTAR PUSTAKA Anggraeni, Dyah Pengukuran temperatur efektif pada gedung biru universitas budi luhur. Universitas Budi Luhur. Jakarta. Anderson JD Computational Fluid Dynamics :The Basic With Applications. McGraw-Hill, Inc, Singapura. Anonim Panduan Membuat Closed House. Redaksi Majalah Poultry Indonesia, September Jakarta. Arif C Optimasi Nilai Konduktivitas Listrik Larutan Nutrisi pada Sistem Hidroponik Tanaman Tomat. Tesis. IPB, Bogor Asnawi, Muhammad Ali Maksum Prediksi suhu dan pola aliran udara dalam greenhouse tipe standart peak menggunakan computational fluid dynamics (CFD). Skripsi. IPB. Bogor. Bell D dan Weaver D Commercial chicken meat and egg production. Edisi ke-5. Springer. Amerika Serikat. Cengel, Yunus A dan Turner, Robert H Fundamentals of thermal-fluid sciences. McGraw-Hill. Amerika Serikat Fadillah, Roni et al Panduan Lengkap Sukses Beternak Ayam Broiler. Agromedia Pustaka. Jakarta. Farrel, D.J Pengaruh dari suhu tinggi terhadap kemampuan biologis dari unggas. Laporan seminar ilmu dan industri perunggasan II. Ciawi, Bogor Mei Pusat penelitian dan pengembangan ternak. Bogor. hlm Leeson, S dan Summers, J.D Broiler breeder production. University books. Kanada. 46

63 Muflihati, Upi Analisis pola aliran udara dan suhu pada kandang ayam pedaging beratap monitor menggunakan teknik computational fluid dynamics (CFD). Skripsi. Departemen Teknik Pertanian. Institut Pertanian Bogor. Ni am, Agus Ghautsun Simulasi Dispersi Gas Polutan SO 2, H 2 S, dan CO dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD). Skripsi. Departemen Teknik Pertanian. Institut Pertanian Bogor. Priyatno, Martono A Membuat kandang ayam. Penebar swadaya. Jakarta. Simmons JD, Dkk The effects of high-air velocity on broiler performance. Jurnal. USDA Agricultue Research Service. Tuakia, Firman Dasar-dasar CFD menggunakan fluent. Informatika, Jakarta. Wahyuningsih DN Karakteristik Tempat dan Aliran Larutan Nutrisi Tanaman Tomat pada Sistem Hidroponik NFT. Skripsi. Departemen Teknik Pertanian IPB, Bogor. Yani, Ahmad Analisis dan simulasi distribusi suhu udara pada kandang sapi perah menggunakan computational fluid dynamics (CFD). Tesis. Sekolah Pasca Sarjana IPB. Bogor. 47

64 Lampiran 1. Tabel data pengukuran tanggal 30 juni 2009 Waktu Data suhu ( C) pada titik ke :10: :20: :30: :40: :50: :00: :10: :20: :30: :40: :50: :00: :10: :20: :30: :40: :50: :00: :10: :20: :30: Lanjutan lampiran 1 48

65 Waktu Data suhu ( C) pada titik ke :40: :50: :00: :10: :20: :30: :40: :50: :00: :10: :20: :30: #VALUE! :40: #VALUE! :50: #VALUE! :00: #VALUE! Catatan: warna merah diduga error 49

66 Lampiran 2. Hasil pengukuran suhu aktual dan nilai suhu hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi. Koordinat Titik x (m) y (m) z (m) YA YP Keterangan: YA = Nilai suhu Pengukuran aktual YP = Nilai suhu hasil simulasi 50

67 Lampiran 3. Hasil pengukuran kelembaban udara aktual dan nilai kelembaban udara hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi. Titik koordinat x (m) y (m) z (m) YA YP Keterangan: YA = Nilai kelembaban udara Pengukuran aktual YP = Nilai kelembaban udara hasil simulasi 51

68 Lampiran 4. Hasil pengukuran kecepatan udara aktual dan kecepatan udara hasil simulasi pada titik-titik pengukuran validasi. Koordinat x (m) y (m) z (m) YA YP Keterangan: YA = Nilai kecepatan udara Pengukuran aktual YP = Nilai kecepatan udara hasil simulasi 52

69 Lampiran 5. Contoh tabel target suhu efektif dengan kondisi 8 exhaust fan beroperasi. kelembaban udara 70% 80% 90% Kecepatan angin 450 feet/ minute (2.286m/s) 500 feet/minute (2.54 m/s) 450 feet/ minute (2.286 m/s) 500 feet/minute (2.54 m/s) 450 feet/ minute (2.286 m/s) 500 feet/minute (2.54 m/s) Temperatur aktual ( C) Target temperatur efektif ( C)

70 Lampiran 6. Gambar geometri model kandang closed house tampak samping 54

71 Lampiran 7.Gambar geometri model kandang closed house tampak belakang 55

72 Lampiran 8. Gambar geometri model kandang closed house tampak atas 56

73 Lampiran 9. Gambar geometri model kandang closed house tampak depan 57

74 Lampiran 10. Gambar piktorial modek kandang closed house 58

75 Lampiran 11. Foto dokumentasi kandang closed house a. Bagian dalam kandang b. Bagian sisi luar kandang c. Evaporative pad d. Exhaust fan e. Bagian dalam kandang f. Exhaust fan 59