III. METODOLOGI PENELITIAN

Transkripsi

1 III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Rumah tanaman yang digunakan terletak di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret 2012 sampai dengan bulan Juli Alat dan Bahan Adapun alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Rumah Tanaman Rumah tanaman yang digunakan adalah rumah tanaman satu bentang dengan tipe modified standard peak sebanyak satu buah (Gambar 2). Rumah tanaman dibangun dengan orientasi Utara-Selatan. Gambar teknik rumah tanaman yang digunakan dapat dilihat pada Lampiran 1. Konstruksi rumah tanaman menggunakan rangka baja ringan sebagai tiang utama. Lantai rumah tanaman diplester keseluruhannya dan berukuran 6 m x 12 m. Atap rumah tanaman memiliki kemiringan 32 o dan ditutup menggunakan Polycarbonate merk Solar Tuff setebal 0.8 mm. Rumah tanaman memiliki bukaan ventilasi pada dinding dan pada atap dengan orientasi sesuai dengan orientasi rumah tanaman (Utara-Selatan) serta menggunakan screen dengan ukuran 1 mm x 1 mm dan mm x mm sebagai ventilasinya. Arah orientasi rumah tanaman ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 2. Rumah tanaman tipe modified standard peak yang digunakan dalam penelitian

2 Gambar 3. Arah orientasi rumah tanaman b. Meteran Meteran digunakan untuk mengukur jarak titik-titik pengukuran pada penelitian. c. Stasiun Cuaca (Weather Station) Weather station merupakan rangkaian alat yang terdiri dari sensor kecepatan dan arah angin (anemometer), sensor suhu dan kelembaban, serta sensor radiasi matahari (pyranometer). Sensor ini dihubungkan pada translator dan nilai hasil dari pengukuran dapat ditampilkan pada layar display. Sensor-sensor tersebut melakukan pengukuran setiap detik. Namun, waktu pengukuran dapat diatur sesuai kebutuhan peneliti. d. Hybrid Recorder dan Sensor Termokopel Hybrid Recorder berfungsi untuk mengkonversi pembacaan suhu dari sensor termokopel. Sensor ini diletakkan pada bagian yang diukur suhunya, yaitu lantai rumah tanaman dan langsung dihubungkan dengan hybrid recorder. Data suhu akan tersimpan secara otomatis di dalam hybrid recorder dan dapat diatur pembacaan suhunya sesuai pengulangan waktu yang dibutuhkan. e. Termometer Termometer merupakan alat ukur suhu yang paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Termometer yang digunakan adalah termometer bola basah dan termometer bola kering. Penggunaannya untuk mengukur suhu di dalam rumah tanaman dengan jeda waktu pembacaan suhu relatif lama dan digunakan sebagai pembanding pengukuran dengan menggunakan sensor termokopel. f. Perangkat Lunak SolidWorks dan Personal Computer (PC) Perangkat Lunak SolidWorks digunakan untuk membangun desain geometrik dan dapat bekerja untuk menganalisis suatu proses pindah panas dengan metode Computational 11

3 Fluid Dynamics (CFD). Perangkat lunak ini membutuhkan personal computer agar dapat dijalankan dan digunakan. Selain itu, PC dapat digunakan untuk semua proses yang berkaitan dengan pengolahan data, desain dan proses simulasi. 3.3 Metode Penelitian Persiapan Penelitian Persiapan penelitian meliputi kegiatan sterilisasi rumah tanaman dari kotoran, terutama membersihkan lantai rumah tanaman dan memasang termokopel sesuai dengan titik-titik pengukuran (Gambar 4 dan 5). U Gambar 4. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak atas (satuan m) 12

4 Gambar 5. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak depan (satuan m) Pelaksanaan Penelitian Pelaksanaan penelitian mencakup beberapa hal penting, yaitu pengukuran parameter iklim mikro rumah tanaman, simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, validasi hasil simulasi suhu, analisis pindah panas konveksi dan analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. a. Pengukuran Parameter Iklim Mikro Pengukuran parameter iklim mikro pada rumah tanaman meliputi pengukuran suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas pemukaan lantai, pengukuran radiasi matahari di dalam rumah tanaman, serta pengukuran parameter iklim mikro di luar rumah tanaman (suhu udara, radiasi matahari, kelembaban udara, curah hujan, tekanan udara dan kecepatan angin). Pengukuran dilakukan menggunakan weather station yang merekam data cuaca secara otomatis setiap 30 menit selama tiga hari untuk kondisi cuaca berawan, berangin, cerah dan hujan. Data yang digunakan untuk simulasi adalah pada saat radiasi matahari minimum dan maksimum. Weather station dipasang di luar dan di dalam rumah tanaman, sedangkan wireless vantage pro2 untuk menyimpan data cuaca diletakkan di basecamp. Komputer kemudian mengunduh data tersebut dengan perangkat lunak weatherlink (Gambar 6). 13

5 Gambar 6. Weather station dan Wireless Vantage Pro2 untuk pengukuran Pengukuran suhu (Tipe T) menggunakan sensor termokopel, dimana datanya direkam oleh hybrid recorder (Gambar 7). Titik-titik pengukuran suhu ini diletakkan pada bagian lantai yang memiliki pengaruh besar untuk proses pindah panas di dalam rumah tanaman dan titik-titik yang sensitif akibat adanya perubahan suhu udara di luar rumah tanaman. Jumlah titik-titik pengukuran sebanyak 20 titik yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Gambar 8 menunjukkan pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Gambar 7. Termokopel yang dihubungkan ke hybrid recorder untuk pengukuran suhu 14

6 Gambar 8. Pengukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman Pengambilan data hasil pengukuran dilakukan setiap 30 menit. Pengukuran dimulai pada pukul hingga pukul Hybrid recorder dipasang pada rentang pengambilan data setiap 1 menit dengan lama pengukuran 12 jam, akan tetapi data yang digunakan hanya rentang waktu setiap 30 menit. Untuk weather station, sensor suhu diatur dalam satuan o C, kecepatan angin dalam satuan m/detik, arah angin dalam satuan derajat. b. Simulasi Sebaran Suhu Menggunakan CFD Simulasi sebaran suhu dilakukan menggunakan CFD dengan perangkat lunak Solidworks. Model simulasi yang dilakukan sangat bergantung pada memori dan kecepatan processor komputer yang digunakan. Komputer yang digunakan adalah komputer dengan spesifikasi CPU intel Core TM i7; 12GB RAM; dan 64-bit Operating System. Analisis yang dilakukan adalah analisis tiga dimensi terhadap aliran fluida dan termal khusus sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman pada kondisi tunak (3-dimensional steady state analysis). Asumsi yang digunakan dalam simulasi adalah: 1) Udara bergerak dalam keadaan steady. 2) Udara tidak terkompresi. 3) Panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan. 4) Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi. Simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman tipe modified standard peak pada saat radiasi matahari minimum dan radiasi matahari maksimum. Data masukan kondisi awal dan kondisi batas simulasi disajikan pada Tabel 1, sedangkan diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD dijelaskan pada Gambar 9. 15

7 Mulai Pembuatan geometri (part) Pendefinisian material geometri Penyusunan struktur geometri (assembly) Pre-processor Set kondisi umum (ambien) Set domain, boundary condition dan goal parameter Run Meshing Calculation Solver Tidak Konvergen Ya Plot kontur, grafik, dan data dari goal parameter Post-processor Selesai Gambar 9. Diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD 16

8 Tabel 1. Masukan kondisi awal rumah tanaman Masukan Kasus 1 2 Kondisi Awal Suhu lingkungan ( o C) Suhu material padat ( o C) RH lingkungan (%) Kecepatan angin (m/detik) Arah angin - Timur laut Radiasi matahari (W/m 2 ) 0 1,092 Waktu (WIB) 06:00 12:00 Media berpori (Kassa belakang) Jenis Kawat kassa Porositas kassa Tipe permeabilitas Isotropik Resistance calculation formula Pressure Drop, Flowrate, Dimensions Panjang 4.92 m Luas m 2 Langkah-langkah proses simulasi menggunakan perangkat lunak Solidworks adalah sebagai berikut : 1) Pembuatan geometri rumah tanaman Dimensi rumah tanaman yang digunakan untuk pembuatan geometri ini adalah kondisi yang sebenarnya sesuai dengan gambar teknik pembangunan rumah tanaman yang mendekati kenyataan di lapangan. Setelah geometri siap digunakan, dilakukan penentuan computational domain (Gambar 10) yang akan menjadi daerah perhitungan simulasi. Gambar 10. Geometri rumah tanaman dan daerah perhitungan model simulasi 17

9 2) Penetapan general setting Ada empat tahap yang ditetapkan pada bagian ini yaitu tipe analisis, jenis fluida, jenis material padat dan kondisi batas serta kondisi awal simulasi secara umum. Gambar 11 sampai dengan Gambar 15 adalah tampilan interface general setting untuk Kasus 1. Gambar 11. Tipe analisis dan nilai masukan radiasi matahari untuk Kasus 1 Tipe aliran yang digunakan adalah tipe aliran eksternal, karena bagian yang dianalisis berhubungan dengan lingkungan dari luar rumah tanaman. Masukan data berupa suhu lingkungan, radiasi matahari dan memperhitungkan proses pindah panas konduksi serta gravitasi (Gambar 11). Fluida yang dianalisis adalah udara dengan tipe aliran laminar dan turbulen serta memperhitungkan kelembaban udara (Gambar 12). Default material padat (solid) dalam simulasi ini adalah concrete (beton) (Gambar 13). Pengaturan kondisi batas hanya memasukkan nilai kekasaran (roughness) sebesar 0 µm (Gambar 14). Nilai suhu udara dan kelembaban pada initial and ambient condition disesuaikan dengan tipe aliran yang digunakan. Tipe aliran yang digunakan adalah eksternal, sehingga suhu udara dan kelembaban yang dimasukkan merupakan kondisi luar rumah tanaman. Nilai tekanan yang dimasukkan sebesar 101,325 kpa dan suhu material padat dimasukkan sesuai analisis kasus yang dibutuhkan (Gambar 15). 18

10 Gambar 12. Pengaturan fluida yang dianalisis dan tipe aliran pada Kasus 1 Gambar 13. Pengaturan material pada Kasus 1 19

11 Gambar 14. Kondisi batas pada Kasus 1 Gambar 15. Kondisi awal pada Kasus 1 3) Pengaturan mesh untuk perhitungan pada level 3. 4) Daerah perhitungan dibuat untuk daerah di luar dan di dalam rumah tanaman (Tabel 2). 20

12 Tabel 2. Daerah perhitungan dalam simulasi Koordinat Jarak (m) Xmin -7.5 Xmax 1 Ymin Ymax 4 Zmin -10 Zmax 5 5) Pendefinisian material rumah tanaman Bagian utama yang digunakan dalam simulasi ini adalah atap, dinding, lantai dan rangka rumah tanaman. Atap didefinisikan sebagai PC (Polycarbonate), dinding sebagai media berpori (porous media), lantai sebagai beton (concrete), dan rangka sebagai baja ringan (steel, mild). Semua data teknik material tersebut belum tersedia di database Solidworks, sehingga datadata sifat bahan tersebut dimasukkan oleh peneliti (Tabel 3). Tabel 3. Sifat bahan yang dimasukkan ke dalam data teknik Solidworks Sifat bahan Satuan Polycarbonate* Concrete # Steel, mild + Kerapatan (ρ) kg/m 3 1,200 2,000 7,833 Panas jenis (cp) J/kg o C 1,300 1, Konduktivitas panas (k) W/m o C Tipe konduktivitas - Isotropik Isotropik Isotropik Melting temperature o C 630 1,000 1,410 Keterangan : * Katalog SolarTuff + Cengel (2003) # Database ( dan 6) Pengaturan kondisi batas Komponen rumah tanaman yang memiliki sumber panas terbesar adalah lantai dan atap. Atap merupakan komponen pertama yang berinteraksi langsung dengan radiasi matahari, kemudian diteruskan ke lantai. Sehingga kedua komponen ini menyimpan panas lebih besar dari komponen-komponen lainnya. Kondisi batas (real wall) yang ditetapkan hanya pada permukaan lantai rumah tanaman dan dinding bawah rumah tanaman. Pengaturan real wall ditetapkan tergantung dari suhu lantai di beberapa jarak pengukuran. 7) Pengaturan tujuan (goals) dari simulasi Goal dari simulasi adalah suhu udara global dan kecepatan udara global. Data suhu udara global ini digunakan untuk validasi dengan hasil pengukuran. 21

13 8) Proses running (perhitungan) dijalankan Persamaan-persamaan konservasi diselesaikan dengan metode iterasi SIMPLER (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations Revised). Proses perhitungan dimulai dengan memecahkan variabel kecepatan fluida dan tekanan. Proses perhitungan ini diperlihatkan kepada pengguna berupa grafik yang menunjukkan konvergenitas residual variation. Jika proses perhitungan menghasilkan residual yang menurun dari satu iterasi ke iterasi berikutnya, maka dikatakan bahwa tebakan nilai terhadap variabel-variabel cukup baik dan solusi akan diperoleh. Proses iterasi akan berhenti ketika kondisi konvergen tercapai. Solidworks akan secara otomatis mengatur time step sama dengan satu untuk analisis termal kondisi tunak. Karena simulasi dilakukan pada aliran tetap dimana udara tidak terkompresi, maka nilai massa jenis konstan selama iterasi. 9) Tahap post-processor Pada tahap ini tampilan yang dibutuhkan oleh peneliti dapat ditentukan secara langsung sebagai hasil simulasi CFD, seperti bentuk kontur suhu dan kecepatan udara, animasi dan sebagainya. c. Validasi Hasil Simulasi Suhu Validasi sebaran suhu dilakukan dengan membandingkan antara hasil simulasi CFD dan hasil pengukuran. Pengujian keabsahan dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara hasil simulasi (y) dan hasil pengukuran (x) (Persamaan 10). Dimana, a menyatakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi. y = a + bx... (10) Model dinyatakan dapat memberikan prediksi sebaran suhu yang semakin baik bila persamaan regresinya memiliki nilai intersep (a) semakin mendekati nol dan gradiennya (b) semakin mendekati satu. Selain itu, validasi hasil simulasi dilakukan dengan menghitung nilai ketepatan seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 11. Ketepatan (%) = 1 Y a Y p Y a x100%... (11) dimana, Y a adalah nilai aktual pengukuran Y p adalah nilai hasil simulasi d. Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman Analisis pindah panas konveksi dan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan setelah hasil simulasi memiliki nilai yang valid. Analisis pindah panas konveksi dilakukan antara lantai dengan udara di atasnya dengan menggunakan persamaan-persamaan pindah panas. Dalam penelitian ini diasumsikan bahwa perpindahan panas yang terjadi hanya melalui konveksi alami dengan batas sistem adalah dinding rumah tanaman setinggi 60 cm, sehingga proses pindah panas hanya terjadi antara lantai dan udara di atas permukaan lantai, serta terjadi pada tiga dimensi dalam keadaan tunak (steady). Kemudian analisis pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dilakukan dari hasil simulasi menggunakan CFD. 22