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

Transkripsi

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

2 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI LAIN Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Analisis dan Simulasi Distribusi Suhu Udara pada Kandang Sapi Perah Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini Bogor, September 2007 Ahmad Yani F

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

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

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

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

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

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

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

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