SIMULASI SEBARAN SUHU UDARA DAN PERMUKAAN LANTAI RUMAH TANAMAN DENGAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

Transkripsi

1 SIMULASI SEBARAN SUHU UDARA DAN PERMUKAAN LANTAI RUMAH TANAMAN DENGAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) SKRIPSI NURUL FUADAH F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

2 SIMULATION OF THE AIR AND SURFACE TEMPERATURE DISTRIBUTION ON THE FLOOR OF GREENHOUSE BY USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) Nurul Fuadah and Herry Suhardiyanto Department of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Dramaga Bogor, PO Box 220, Bogor, West Java, Indonesia Phone , ABSTRACT Temperature is one of important factors in plant growing. Distribution of temperature that occurs in the greenhouse should be used as the basic consideration for designing a greenhouse. Floor is one of important governing factors that affect temperature distribution. The air and surface temperature distribution on the floor greenhouse can be simulated by using Computational Fluid Dynamics (CFD). The simulation was applied to a naturally ventilated standard peak greenhouse. Measured floor surface temperature were o C and air temperature at 45 cm above the floor surface were o C. Simulated floor surface temperature were o C and air temperature at 45 cm above the floor surface were o C. Validation of the model had been done by calculating accuration and linear regression analysis. The simulation showed the accuracy % at the minimum solar radiation (0 W/m 2 ) and % at maximum solar radiation (1,092 W/m 2 ), and resulting a high value of coefficient of determination ( ). Results show that the model performed well in simulating the air and surface temperature distribution on the floor of greenhouse, as compared to that of the measured value. It also show that CFD could be used to predict convective heat transfer and airflow pattern on the floor of greenhouse, accurately. Keywords : temperature, heat transfer, Computational Fluid Dynamics (CFD), floor

3 NURUL FUADAH. F Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Di bawah bimbingan Herry Suhardiyanto RINGKASAN Teknologi rumah tanaman adalah salah satu wujud hasil pengembangan teknologi budidaya pertanian dengan memberikan kondisi lingkungan yang mendekati optimum bagi pertumbuhan tanaman. Bangunan rumah tanaman mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas secara konduksi, konveksi maupun radiasi. Perpindahan panas ini terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Lantai adalah salah satu komponen utama keseimbangan panas rumah tanaman. Pada rumah tanaman, luas permukaan yang melakukan dasar pertukaran panas adalah dinding dan atap. Perbandingan luas permukaan ini dengan luasan lantai dapat mempengaruhi perubahan suhu di dalam rumah tanaman. Pada luasan lantai yang tetap, pertambahan tinggi luas permukaan tersebut akan meningkatkan proses pertukaran panas dan rendahnya luas permukaan tersebut akan menurunkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman. Mengingat sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat mempengaruhi pola pindah panas secara konveksi dan merupakan suatu hal yang sangat penting di dalam rumah tanaman, maka perlu dilakukan penelitian tentang suatu simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD). Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: Melakukan simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD); Mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman sebagai komponen rumah tanaman yang menerima radiasi matahari; Mempelajari aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman akibat pindah panas konveksi antara permukaan lantai dan udara di dalam rumah tanaman. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat dilakukan dengan menggunakan CFD. Suhu permukaan lantai hasil pengukuran berkisar o C dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar o C, sedangkan suhu permukaan lantai hasil simulasi yag dihasilkan berkisar o C dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar o C. Kemudian dilakukan validasi hasil simulasi sebaran suhu, dimana diperoleh nilai yang akurat yaitu berkisar % untuk radiasi matahari minimum (0 W/m 2 ) dan % untuk radiasi matahari maksimum (1,092 W/m 2 ). Hasil validasi menunjukkan hasil yang baik untuk sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, dan dapat memprediksi pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Nilai pindah panas pada saat radiasi minimum yang dihasilkan berkisar W dan pada saat radiasi maksimum berkisar W. Selain itu, dapat dipelajari pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dan fungsi ventilasi untuk proses pertukaran udara dapat dibuktikan terjadi di dalam rumah tanaman.

4 SIMULASI SEBARAN SUHU UDARA DAN PERMUKAAN LANTAI RUMAH TANAMAN DENGAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor Oleh NURUL FUADAH F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

5 Judul Skripsi : Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) Nama NIM : Nurul Fuadah : F Menyetujui, Pembimbing Akademik, Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. NIP Mengetahui, Ketua Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Dr. Ir. Desrial, M.Eng. NIP Tanggal lulus:

6 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. 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 skripsi ini. Bogor, Nopember 2012 Yang membuat pernyataan Nurul Fuadah F

7 Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2012 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya.

8 BIODATA PENULIS Nurul Fuadah, lahir di Baturusa, 23 Februari 1991 dari pasangan Bapak Agusman Muhammad dan Ibu Farida, sebagai putri keenam dari sembilan bersaudara. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2008 dari SMAN 4 Pangkalpinang, Bangka dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB. Penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif berorganisasi sebagai pengurus Ikatan Mahasiswa Bangka (ISBA), dan aktif mengikuti berbagai kepanitian yang diselenggarakan baik oleh Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakutas Teknologi pertanian, dan Umum. Selain itu, penulis juga sering mengikuti seminar dan pelatihan yang diadakan oleh IPB dan luar IPB. Penulis merupakan salah satu asisten praktikum di mata kuliah Teknologi Greenhouse dan Hidroponik pada tahun Penulis melakukan Praktik Lapangan (PL) pada tahun 2011 di PT Alam Makmur Sembada, Bekasi dengan judul Aspek Pengendalian Lingkungan dalam Proses Penyimpanan Beras di PT Alam Makmur Sembada, Bekasi di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan skripsi dengan judul Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc.

9 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadhirat Allah SWT atas karunia-nya sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Penelitian dengan judul Simulasi Sebaran Suhu Udara dan Permukaan Lantai Rumah Tanaman dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) dilaksanakan di Laboratorium Lapangan, Leuwikopo dan Laboratorium Teknik Lingkungan Biosistem, Institut Pertanian Bogor sejak bulan Maret 2012 sampai Juli Dengan telah selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Orang tua penulis, H. Agusman Muhammad dan Hj. Farida serta ayuk dan adik tercinta atas pengorbanan, dukungan, motivasi dan do a kepada penulis. 2. Prof. Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. sebagai dosen pembimbing akademik penulis atas bimbingannya selama kuliah, penelitian dan penyusunan skripsi. 3. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Agr dan Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran dan bimbingan kepada penulis. 4. Muhammad Soleh dan Ristiani atas semangat, waktu, bantuan, kesabaran menemani penulis. 5. Bapak Ahmad, Mas Dharma, Kak Agus, Ibu Eni dan seluruh keluarga Teknik Lingkungan Biosistem atas bantuannya selama penelitian. 6. Teman seperjuangan penulis Aulia dan Deri atas perjuangan dan kesabarannya. 7. Keluarga Magenta 45 dan Wisma Wina atas bantuan dan semangatnya kepada penulis. 8. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu penulis selama menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini. Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang Teknik Lingkungan Biosistem khususnya rumah tanaman. Bogor, Nopember 2012 Penulis iii

10 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR LAMPIRAN... viii I. PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan... 2 II. TINJAUAN PUSTAKA Iklim Mikro Rumah Tanaman Daerah Tropika Basah Pindah Panas Konveksi Bebas Simulasi Komputer Computational Fluid Dynamics (CFD) Penelitian-penelitian Terkait... 8 III. METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Alat dan Bahan Metode Penelitian IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Perubahan Suhu Udara dan Suhu Permukaan Lantai Rumah Tanaman Simulasi dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD) Validasi Hasil Simulasi Suhu Pindah Panas Konveksi dan Pola Aliran Udara di Atas Permukaan Lantai Rumah Tanaman V. SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iv

11 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Masukan kondisi awal rumah tanaman Tabel 2. Daerah perhitungan dalam simulasi Tabel 3. Sifat bahan yang dimasukkan ke dalam data teknik Solidworks Tabel 4. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 0 W/m Tabel 5. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 1,092 W/m Tabel 6. Pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman v

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Pindah panas konveksi pada permukaan horizontal... 6 Gambar 2. Rumah tanaman tipe modified standard peak yang digunakan dalam penelitian. 10 Gambar 3. Arah orientasi rumah tanaman Gambar 4. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak atas (satuan m) Gambar 5. Titik-titik pengukuran pada lantai rumah tanaman tampak depan (satuan m) Gambar 6. Weather station dan Wireless Vantage Pro2 untuk pengukuran Gambar 7. Termokopel yang dihubungkan ke hybrid recorder untuk pengukuran suhu Gambar 8. Pegukuran suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai rumah tanaman Gambar 9. Diagram alir proses simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman menggunakan CFD Gambar 10. Geometri rumah tanaman dan daerah perhitungan model simulasi Gambar 11. Tipe analisis dan nilai masukan radiasi matahari untuk Kasus Gambar 12. Pengaturan fluida yang dianalisis dan tipe aliran pada Kasus Gambar 13. Pengaturan material pada Kasus Gambar 14. Kondisi batas pada Kasus Gambar 15. Kondisi awal pada Kasus Gambar 16. Perubahan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012) Gambar 17. Perubahan radiasi matahari di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012) Gambar 18. Perubahan suhu permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) Gambar 19. Perubahan suhu udara 45 cm di atas permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) Gambar 20. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 21. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Gambar 22. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 23. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Gambar 24. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 25. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Gambar 26. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 27. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m vi

13 Gambar 28. Grafik validasi suhu permukaan lantai rumah tanaman Gambar 29. Grafik validasi suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman Gambar 30. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 31. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Gambar 32. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 33. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Gambar 34. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 35. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Gambar 36. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m Gambar 37. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (d) 0.8 m, (e) m dan (f) 5.05 m vii

14 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Gambar teknik rumah tanaman tipe modified standard peak Lampiran 2. Titik-titik pengukuran suhu 0 m di atas permukaan lantai rumah tanaman Lampiran 3. Titik-titik pengukuran suhu 0.45 m di atas permukaan lantai rumah tanaman.. 52 Lampiran 4. Properties udara pada saat tekanan 1 atmosfer Lampiran 5. Data kondisi lingkungan di dalam rumah tanaman pada tanggal 30 Maret Lampiran 6. Data kondisi lingkungan di luar rumah tanaman pada tanggal 30 Maret Lampiran 7. Data hasil pengukuran suhu 0 m di atas permukaan lantai rumah tanaman pada tanggal 30 Maret Lampiran 8. Data hasil pengukuran suhu 0.45 m di atas permukaan lantai rumah tanaman pada tanggal 30 Maret Lampiran 9. Contoh perhitungan pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman viii

15 I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Teknologi greenhouse adalah salah satu teknologi pada budidaya pertanian dengan memberikan kondisi lingkungan yang mendekati optimum bagi pertumbuhan tanaman. Teknologi ini merupakan adopsi dari daerah subtropika dan diaplikasikan di Indonesia yang beriklim tropika basah dengan fungsi tidak untuk melindungi tanaman dari suhu udara yang rendah, tetapi lebih sebagai bangunan perlindungan tanaman. Oleh karena itu, istilah rumah tanaman sangat sesuai sebagai terjemahan dari greenhouse (Suhardiyanto 2009). Konstruksi greenhouse di daerah subtropika dan rumah tanaman di daerah tropika basah tentunya berbeda. Perbedaan ini disebabkan oleh konstruksi rumah tanaman dengan rancangan struktur bangunan yang sama, namun dibangun pada iklim yang berbeda akan memiliki kondisi iklim mikro yang berbeda pula. Perbedaan laju dan arah pertukaran panas yang terjadi antara bangunan rumah tanaman dan lingkungan sekitarnya merupakan salah satu penyebab berbedanya iklim mikro di dalam rumah tanaman. Bangunan rumah tanaman akan mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas baik itu secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini dapat terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Lantai adalah salah satu komponen utama dalam rumah tanaman. Lantai berfungsi sebagai tempat sebagian besar kegiatan budidaya tanaman. Selain itu, lantai juga mempunyai fungsi yang berhubungan erat dengan perpindahan panas. Pada rumah tanaman, luas permukaan yang melakukan dasar pertukaran panas adalah dinding dan atap. Perbandingan luas permukaan ini dengan luasan lantai dapat mempengaruhi perubahan suhu di dalam rumah tanaman. Pada luasan lantai yang tetap, pertambahan tinggi luas permukaan tersebut akan meningkatkan proses pertukaran panas dan rendahnya luas permukaan tersebut akan menurunkan proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman. Pindah panas merupakan proses perpindahan panas dari material atau benda karena adanya perbedaan suhu. Proses pindah panas dapat terjadi secara radiasi (sinaran), konveksi dan konduksi (hantaran). Proses pindah panas di permukaan lantai rumah tanaman dengan udara di dalam rumah tanaman terjadi secara konveksi. Pada dasarnya aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari-hari, misalnya pengkondisian bangunan dan mobil, interaksi berbagai objek dengan udara/air, termasuk juga proses pindah panas ini, yang sangat menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk itu, dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi secara cepat dan akurat. Maka, berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD dapat memprediksi aliran, perpindahan panas, reaksi kimia dan peristiwa lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika yang membentuk model matematika. Mengingat sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat mempengaruhi pola pindah panas secara konveksi dan merupakan suatu hal yang sangat penting di dalam rumah tanaman, maka perlu dilakukan penelitian mengenai suatu simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan bantuan Computational Fluid Dynamics (CFD).

16 1.2 Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk: a. Melakukan simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). b. Mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman sebagai komponen rumah tanaman yang menerima radiasi matahari. c. Mempelajari aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman akibat pindah panas konveksi antara permukaan lantai dan udara di dalam rumah tanaman. 2

17 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Iklim Mikro Rumah Tanaman Daerah Tropika Basah Iklim merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi perancangan bangunan. Sebuah bangunan seharusnya dapat mengurangi pengaruh iklim yang merugikan dan memanfaatkan pengaruhnya yang menguntungkan bagi pengguna bangunan. Faktor iklim tersebut meliputi radiasi dan cahaya matahari, suhu dan kelembaban udara, arah dan kecepatan angin serta kondisi langit. Bagaimana pengaruh faktor-faktor tersebut terhadap bangunan perlu diteliti untuk mendapatkan kondisi lingkungan di dalam bangunan, khususnya kondisi termal dan visual yang diinginkan pengguna bangunan. Kondisi termal yang akan terjadi di dalam bangunan akan ditentukan oleh kinerja termal dari bangunan dan kondisi iklim dimana bangunan berada. Seperti di Indonesia dengan ciri iklim yang tropis lembab memiliki suhu udara yang relatif panas, intensitas radiasi matahari dan kelembaban udara yang tinggi (Soegijanto 1999). Nelson (1981) mendefinisikan greenhouse sebagai suatu bangunan yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya yang memungkinkan bagi cahaya yang dibutuhkan tanaman bisa masuk dan tanaman terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan, seperti hujan deras, tiupan angin kencang dan keadaan suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi yang dapat menghambat pertumbuhan tanaman. Menurut Suhardiyanto (2009), pada daerah tropika (basah), fenomena greenhouse ini dapat dimanfaatkan dan istilah greenhouse yang mulanya dibangun di wilayah subtropika sebagian besar dari bahan kaca, kurang tepat untuk wilayah tropika basah. Agar lebih mencerminkan fungsi greenhouse sebagai bangunan perlindungan tanaman, maka dikenal istilah rumah tanaman. Rumah tanaman umumnya mempunyai struktur yang hampir sama dengan bangunan. Menurut Suhardiyanto (2009), komponen rumah tanaman terdiri dari pondasi, balok, kolom, dinding, atap dan lantai. Semua komponen ini mempunyai fungsi masing-masing. Pondasi berfungsi sebagai pendukung beban bangunan dan menyalurkan beban tersebut ke dalam tanah. Kolom berfungsi sebagai tiang pembentuk struktur dan penopang beban atap. Balok berfungsi sebagai pengikat antar kolom dan memperkokoh bangunan. Atap berfungsi untuk melindungi tanaman dari pengaruh iklim dan bagian atap terdiri dari kuda-kuda, rangka atap dan penutup atap. Dinding berfungsi untuk melindungi tanaman dari angin, hama, hujan dan debu. Lantai berfungsi untuk memperkuat permukaan lantai. Suhu merupakan salah satu faktor yang sangat penting dalam pengendalian iklim mikro. Suhu adalah derajat dari panas sensibel atau intensitas, sedangkan panas adalah bentuk dari energi. Suhu bisa dijadikan gagasan dalam pengendalian transfer energi dan menjadi pengukuran umum di dalam rumah tanaman. Selang suhu untuk produksi tanaman dalam rumah tanaman relatif terbatas dari o C untuk hampir semua jenis kecuali untuk masalah tertentu. Model Takakura untuk struktur unheated menunjukkan besarnya jeda waktu perubahan suhu di luar dan jeda waktu perubahan suhu di dalam rumah tanaman memperlihatkan peningkatan perbandingan luasan lantai terhadap luasan atap, dan penurunan perbandingan volume udara terhadap lantai (Hanan 1998). Menurut Schroeder (2000), suhu adalah ukuran dari kecenderungan suatu objek yang secara spontan memberikan energi untuk sekitarnya. Ketika dua objek melakukan kontak secara termal, salah satu yang cenderung spontan kehilangan energi adalah pada suhu yang lebih tinggi. Alasan dasar untuk menggunakan rumah tanaman adalah mengatur suhu untuk pertumbuhan tanaman. Salah satu masalah utama adalah menjaga suhu tetap stabil/dingin. Panas

18 dalam rumah tanaman meningkat karena dua sebab, yaitu: karena greenhouse effect dan struktur rumah tanaman yang cenderung lebih tertutup. Sebagian besar kenaikan suhu di dalam rumah tanaman dihasilkan dari fakta mengenai struktur rumah tanaman yang tertutup dan pindah panas dari pergerakan udara turbulen yang berkurang. Selain itu, kecepatan angin juga selalu mempengaruhi peningkatan suhu (Mastalerz 1977). Bangunan rumah tanaman mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas secara radiasi, konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini terjadi melalui atap, dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah rumah tanaman. Prinsip-prinsip perpindahan panas dapat menjadi dasar dalam perancangan panas tersebut dan prediksi kondisi lingkungan termal di dalam rumah tanaman dapat dilakukan, yaitu menggunakan model matematika yang menerangkan keseimbangan panas pada rumah tanaman. Hubungan antara kondisi lingkungan termal dengan salah satu elemen rancangan rumah tanaman yang penting dan mendasar adalah faktor lantai. Lantai dijadikan pembanding dalam hal penentuan luas ventilasi rumah tanaman (Suhardiyanto 2009). Suhardiyanto (2009) juga menyatakan bahwa bangunan rumah tanaman berinteraksi dengan kondisi lingkungan termal di sekitar rumah tanaman menghasilkan lingkungan yang unik di dalam rumah tanaman. Komponen-komponen yang penting dari interaksi tersebut dapat digambarkan secara sederhana dalam sebuah model sehingga hubungan sebab akibat komponen penyusun tersebut dapat dijelaskan dengan baik. Perancangan rumah tanaman dapat dilakukan dengan mudah jika model pindah panas pada rumah tanaman telah dibangun. Model pindah panas tersebut menerangkan hubungan antara elemen rancangan dengan lingkungan termal pertumbuhan tanaman di dalam rumah tanaman. Model ini juga dapat menjadi dasar simulasi menggunakan komputer untuk memprediksi lingkungan termal di dalam rumah tanaman. 2.2 Pindah Panas Menurut Schroeder (2000), energi adalah konsep dinamis yang paling mendasar dalam semua ilmu fisika, dan panas didefinisikan sebagai aliran energi yang spontan dari suatu objek ke objek lainnya, yang disebabkan oleh perbedaan suhu diantara objek tersebut. Mastalerz (1977) menyatakan bahwa energi panas atau termal didefinisikan sebagai energi yang ditransferkan diantara dua sistem yang mempunyai suhu yang berbeda. Panas dapat ditransmisikan melalui konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas atau cairan, atau diantara objek yang sama yang bersentuhan langsung; panas dikonduksikan dari molekul yang mempunyai energi panas tinggi ke molekul yang mempunyai energi panas rendah (Mastalerz 1977). Besarnya laju aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan Hukum Fourier seperti pada Persamaan 1. q kond = - k A ( dt ) = k A T 1 T 2... (1) dx dx dimana, q kond adalah laju pindah panas secara konduksi (W/m 2 ), A adalah luas penampang suatu bidang (m 2 ) dan ΔT adalah perubahan suhu diantara dua permukaan ( o C). Konveksi adalah perpindahan massa dari gas atau cairan yang panas ke suatu area yang lebih dingin; seperti pergerakan udara panas diseluruh bagian rumah tanaman terjadi karena konveksi (Mastalerz 1977). Laju perpindahan panas konveksi dinyatakan berdasarkan Hukum Newton yang tertera pada Persamaan 2. q konv = h A (T s T ~ )... (2) 4

19 dimana, q konv adalah laju pindah panas secara konveksi (W/m 2 ), h adalah koefisien pindah panas konveksi (W/m 2 o C), T s adalah suhu permukaan bidang ( o C) dan T ~ adalah suhu pada jarak tertentu dari permukaan bidang ( o C). Radiasi adalah perpindahan panas yang melewati suatu tempat dalam bentuk energi radiasi panas (Mastalerz 1977). Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi dihitung berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann yang dinyatakan pada Persamaan 3. q r = σεat s 4... (3) dimana, q r adalah laju pindah panas secara radiasi (W/m 2 ), σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10-8 (W/m 2 K 4 ). Menurut Soegijanto (1999), bangunan akan mendapat perolehan panas dan mengeluarkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Besarnya perpindahan panas yang terjadi pada bangunan dipengaruhi oleh sifat-sifat termofisika dari bahan bangunan. Sifat-sifat tersebut adalah konduktivitas panas dari bahan bangunan (k), konduktansi dari bahan bangunan dari rongga udara (C k ), konduktansi permukaan (h), kapasitas panas spesifik dari bahan bangunan (c p ), emitansi (ε) dan absorptansi (α) untuk radiasi gelombang panjang. Selain sifat termofisik, sifat fisika yang berpengaruh terhadap besarnya perpindahan panas adalah kepadatan massa atau densitas (kg/m 3 ) dan tebal bahan (m). Diantara semua sifat tersebut, ada beberapa sifat yang digunakan sebagai masukan dasar untuk definisi material dalam simulasi CFD, yaitu konduktivitas panas (k), kapasitas panas spesifik dari bahan bangunan (c p ) dan kepadatan massa atau densitas (kg/m 3 ). Menurut Satwiko (2009), konduktivitas panas adalah bilangan yang menunjukkan besar panas (Watt) yang mengalir melalui bahan setebal satu meter (1 m), seluas satu meter persegi (1 m 2 ) dengan perbedaan suhu antara kedua sisi permukaan satu derajat celcius (1 o C). Pengguna seringkali memerlukan bahan dengan tebal nyata, maka dibuatlah istilah konduktan yang merupakan konduktivitas dengan tebal tertentu (bukan 1 m). Hal ini karena pada kehidupan nyata, tebal 1 m tidak selalu digunakan. Dimana, konduktan = k/b (b adalah tebal bahan normal), dengan satuan W/m 2 o C. Kapasitas panas spesifik bahan adalah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari satu satuan massa dari bahan sebesar 1 o C. Kapasitas panas dari bahan selubung bangunan sangat berpengaruh pada kondisi termal di dalam bangunan untuk bangunan yang menggunakan pengendalian pasif. Tetapi, bangunan yang menggunakan pengendalian aktif, kapasitas panas kurang berpengaruh (Soegijanto 1999). Kepadatan massa atau densitas adalah perbandingan beratnya massa bahan per satuan volume total bahan tersebut. 2.3 Konveksi Bebas Perpindahan panas konveksi bebas terjadi bilamana sebuah benda ditempatkan dalam suatu fluida yang suhunya lebih tinggi atau lebih rendah daripada benda tersebut. Akibat dari perbedaan suhu tersebut, panas mengalir antara fluida dan benda tersebut serta mengakibatkan perubahan kerapatan lapisan-lapisan fluida di dekat permukaan. Perbedaan kerapatan menyebabkan fluida yang lebih berat mengalir ke bawah dan fluida yang lebih ringan mengalir ke atas. Jika gerakan fluida tersebut disebabkan hanya oleh perbedaan kerapatan yang diakibatkan oleh gradien suhu, tanpa dibantu pompa atau kipas, maka mekanisme perpindahan panas yang bersangkutan disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (Kreith 1986). Menurut Cengel (2003), pergerakan fluida pada konveksi alami terjadi karena perbedaan suhu. Pindah panas secara konveksi ini dapat terjadi secara horizontal maupun vertikal. Tahapan penentuan pindah panas konveksi yang penting adalah perlu ditentukannya koefisien pindah panas 5

20 konveksi (h) antara lantai dan udara di dalam rumah tanaman. Lantai rumah tanaman dapat menyerap dan melepaskan panas dari atau ke lingkungan sekitar (udara di dalam rumah tanaman) secara konveksi. Proses pindah panas secara konveksi yang terjadi pada permukaan horizonal dapat dilihat pada Gambar 1. Ts T ~ Permukaan Panas Gambar 1. Pindah panas konveksi pada permukaan horizontal Koefisien pindah panas konveksi diperoleh dengan beberapa tahap perhitungan. Pertama, menentukan nilai Rayleigh (R al ) yang dinyatakan pada Persamaan 4. R al = G rl P r = g β (T s T ~ )L 3 c P r... (4) v dimana, R al adalah bilangan Rayleigh, G rl adalah bilangan Grashof, g adalah gaya gravitasi (m/det 2 ), β adalah koefisien ekspansi dari volume gas ideal (l/k), v adalah viskositas kinematik udara (m 2 /det), P r adalah bilangan Prandtl, dan L c adalah panjang karakteristik dari geometri (m). Untuk nilai v dan P r dikutip dari Cengel (2003) Tabel A-15 (Lampiran 4) berdasarkan pembacaan T dan β = 1/T f (T f = [(½(T s + T ~ ))+273]) serta L c diketahui dari Persamaan 5. L c = A s / P... (5) dimana, P adalah perimeter atau keliling medium (m) dan A s adalah luas penampang medium (m 2 ). Untuk permukaan persegi panjang horizontal dengan panjang a, nilai L c = a/4. Setelah itu, menentukan bilangan Nusselt (N u ) untuk lantai dari Persamaan 6 dan 7 (Cengel 2003). N u = 0.54 R al 1/4, untuk 10 4 < R al < (6) N u = 0.15 R al 1/3, untuk 10 7 < R al < (7) Kemudian dihitung nilai h (W/m 2 o C) dengan menggunakan Persamaan 8. h = k L c N u... (8) dimana, k adalah konduktivitas termal udara (W/m o C) dan N u adalah bilangan Nusselt. Laju perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan Persamaan 9. q konv = h A (T s T ~ )... (9) dimana, q konv adalah pindah panas konveksi (W/m 2 ), h adalah koefisien pindah panas konveksi (W/m 2 o C), T s adalah suhu permukaan bidang ( o C) dan T ~ adalah suhu pada jarak tertentu dari permukaan bidang ( o C). 2.4 Simulasi Komputer Simulasi adalah program (software) komputer yang berfungsi untuk menirukan perilaku sistem nyata (realitas) tertentu. Tujuan simulasi antara lain untuk pelatihan, studi perilaku sistem dan hiburan atau permainan. Studi informatika yang mendukung simulasi komputer, antara lain: pemodelan dan simulasi, teori sistem, rekayasa perangkat lunak dan grafik animasi komputer. Proses tahapan dalam mengembangkan simulasi komputer adalah sebagai berikut: memahami 6

21 sistem yang akan disimulasikan; mengembangkan model matematika dari sistem; mengembangkan model matematika untuk simulasi; membuat program (software) komputer; menguji, memverifikasi dan memvalidasi keluaran simulasi; dan mengeksekusi program simulasi untuk tujuan tertentu (Sridadi 2011). 2.5 Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah suatu analisis sistem yang meliputi aliran fluida, pindah panas dan massa, serta fenomena lain seperti reaksi kimia dengan menggunakan simulasi berbasis komputer (Versteeg dan Malalasekerta 1995). CFD dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu computational yang berarti segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metoda numerik atau komputasi, dan fluid dynamics yang berati dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (Tuakia 2008). Suatu analisis CFD memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Perangkat lunak ini dapat membuat virtual prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan; CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari informasi keandalan sistem yang didesain. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif (tergantung dari persoalan dan data yang dimasukkan) (Tuakia 2008). Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan dalam simulasi CFD, yaitu preprocessor, solver dan post-processor. Pre-processor merupakan bagian input dari permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator (Versteeg dan Malalasekerta 1995). Hal-hal yang dilakukan dalam tahap ini adalah: a. Mendefinisikan geometri dari domain yang akan dianalisis; b. Pembentukan grid (meshing) pada setiap domain; c. Pemilihan fenomena kimia-fisika yang diinginkan; d. Menentukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, massa jenis, panas jenis dan sebagainya); e. Menentukan kondisi batas (boundary condition). Proses solver merupakan tahapan pemecahan masalah secara matematik dalam CFD. Pada proses solver, terdapat tiga persamaan aliran fluida yang menyatakan hukum kekekalan fisika (Versteeg dan Malalasekerta 1995), yaitu: a. Massa fluida kekal (kekekalan massa fluida); b. Laju perubahan momentum sama dengan resultan gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton); c. Laju perubahan energi sama dengan resultan laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika). Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju bersih aliran massa ke dalam elemen fluida. Semua elemen fluida merupakan fungsi dari ruang dan waktu, maka massa jenis fluida ρ ditulis dalam bentuk ρ (x, y, z, t) dan 7

22 komponen kecepatan fluida ditulis sebagai dx/dt=u, dy/dt=v dan dz/dt=w. Bentuk persamaan matematika untuk fluida yang tidak terkompresi dinyatakan pada Persamaan 10 (Versteeg dan Malalasekera 1995). (ρu ) x + (ρv ) + (ρw ) = 0... (10) y z dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m 3 ) dan x, y, z adalah arah koordinat kartesian. Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes dalam bentuk sesuai dengan metode finite volume (Versteeg dan Malalasekera 1995), yang ditunjukkan pada Persamaan 11 sampai dengan Persamaan 13. Momentum x: ρ u u u u + v + w x y z = p x + μ 2 u x u y u z 2 + S MX... (11) Momentum y: ρ u v v v + v + w x y z = p y + μ 2 v x v y v z 2 + S MY... (12) Momentum z: ρ u w w w + v + w x y z = p z + μ 2 w x w y w z 2 + S MZ... (13) dimana µ adalah viskositas dinamik fluida (kg/m det) dan S MX, S MY, S MZ adalah momentum yang berasal dari body per unit volume per unit waktu, masing-masing untuk koordinat x, y dan z. Persamaan energi diturunkan dari Hukum 1 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 pada Persamaan 14 (Versteeg dan Malalasekera 1995). ρ u T T T + v + w x y z = p u + v + w x y z + k 2 T x T y T z 2 + S i... (14) dimana: ρ u u u u + v + w x y z = p x + μ 2 u x u y u z 2 + S MX, p adalah tekanan fluida (Pa), k adalah konduktivitas termal fluida (W/m o C), T adalah suhu fluida ( o C), dan S i adalah energi yang ditambahkan per unit volume per unit waktu. Post-processor merupakan hasil akhir dari dua tahap sebelumnya. Hasil yang disajikan dapat berupa tampilan geometri domain dan mesh, plot vektor, plot permukaan dua dimensi dan tiga dimensi, serta pergerakan partikel (Versteeg dan Malalasekerta 1995). 2.6 Penelitian-penelitian terkait Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk mempelajari karakteristik maupun kinerja rumah tanaman yang dibangun pada iklim tropika basah, khususnya di Indonesia. Penelitianpenelitian tersebut meliputi: simulasi distribusi suhu dan kelembaban udara untuk pengembangan desain rumah tanaman di daerah tropika basah (Romadonah 2011), research on greenhouse application in tropics (Suhardiyanto et al. 2007), analisis pola aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman standard peak menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) (Nurianingsih 2011) dan masih banyak penelitian lainnya. Penelitian yang dilakukan oleh Suhardiyanto et al. (2007) difokuskan pada peningkatan performansi dari struktur rumah tanaman secara umum yang diantaranya melingkupi studi panas, ventilasi, desain (bentuk, dimensi dan susunan atap). Selain itu, konsep tentang struktur rumah 8

23 tanaman yang telah mengalami adaptasi, beberapa informasi tentang desain, pemilihan material dan konstruksi merupakan beberapa usulan untuk rumah tanaman di daerah tropika basah serta dijelaskan juga beberapa konsep rumah tanaman yang telah dikembangkan oleh para penelitinya. Romadonah (2011) melakukan penelitian tentang pentingnya distribusi suhu dan kelembaban (RH) di rumah tanaman dengan menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Suhu udara di dalam rumah tanaman pada ketinggian 1 m dari permukaan lantai berkisar antara o C pada selang suhu udara lingkungan o C. Perbedaan suhu udara lingkungan dengan suhu di dalam rumah tanaman tidak lebih dari 5 o C. Rata-rata RH di dalam rumah tanaman 87.79% dengan nilai terendah 64.85% dan maksimum 95.42%. Hasil simulasi menunjukkan terjadinya gradien suhu dan RH, namun tidak terlalu signifikan. Validasi terhadap nilai suhu udara dan RH hasil simulasi menghasilkan error masing-masing mencapai 12.81% dan 19.56%. Penelitian lain yang menggunakan CFD dilakukan oleh Nurianingsih (2011), dimana fokus penelitiannya adalah menganalisa pola aliran dan distribusi suhu udara di rumah tanaman dan melakukan simulasi modifikasi desain rumah tanaman dengan mengubah kemiringan atap untuk mengetahui pengaruhnya terhadap distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Hasil penelitian ini menunjukan hasil yang optimal untuk pola aliran dan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman yang didukung oleh perolehan rata-rata error di bawah 5% untuk setiap kondisi kasus simulasi. Kemudian modifikasi kemiringan atap hanya mempengaruhi pergerakan dan suhu udara yang meningkat di sekitar atap, tetapi tidak mempengaruhi kenaikan suhu udara yang drastis di dalam rumah tanaman. Hasil CFD menunjukkan kemiringan atap 30 o memiliki pola aliran dan distribusi udara yang optimal. Berdasarkan penelitian-penelitian tersebut, peneliti mencoba untuk melakukan penelitian dengan fokusnya adalah simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman. Kemudian dilanjutkan dengan validasi hasil simulasi sebaran suhu, dan CFD ini dapat dimanfaatkan untuk mempelajari serta menduga karakteristik pindah panas panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Selain itu, dari hasil CFD dapat dipelajari juga pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Pada akhirnya, diharapkan penelitian ini dapat memberikan masukan yang berguna untuk pengembangan struktur dan desain rumah tanaman kedepannya terutama mengenai studi panas. 9

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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

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

34 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

35 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

36 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

37 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Lingkungan mikro di dalam rumah tanaman khususnya di daerah tropika basah perlu mendapat perhatian khusus, mengingat ciri iklim tropika basah dengan suhu udara yang relatif panas, intensitas radiasi matahari yang tinggi dan kelembaban udara yang tinggi. Pengendalian lingkungan mikro rumah tanaman yang paling mendasar adalah mengenai modifikasi struktur rumah tanaman dan material penyusun rumah tanaman. Salah satu hal penting mengenai struktur rumah tanaman adalah proses pindah panas yang terjadi di dalam rumah tanaman khususnya lantai rumah tanaman. Lantai dijadikan pembanding dalam hal penentuan luas ventilasi rumah tanaman. Selain itu, jenis material dan tebal bahan yang digunakan juga sangat berpengaruh dalam proses perpindahan panas di dalam rumah tanaman. 4.1 Perubahan Suhu Udara dan Suhu Permukaan Lantai Rumah Tanaman Pengukuran dilakukan selama tiga hari dari tanggal 28 Maret 2012 sampai 30 Maret 2012, namun data yang digunakan adalah data iklim dan kondisi lingkungan di rumah tanaman pada tanggal 30 Maret Pengukuran dilakukan selama 12 jam, dimulai dari pukul 06:00 sampai dengan pukul 18:00. Pada Gambar 16 dan 17 disajikan hasil pengukuran suhu udara dan radiasi matahari di dalam dan di luar rumah tanaman (Lampiran 5 dan 6) Suhu, o C di dalam di luar Waktu setempat, WIB Gambar 16. Perubahan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman (30 Maret 2012)

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

39 Suhu, o C Titik 2 Titik 4 Titik 5 Titik 6 Titik 8 Titik 10 Titik 12 Titik 14 Titik 16 Titik 18 Titik 20 Waktu setempat, WIB Gambar 19. Perubahan suhu udara pada posisi 45 cm di atas permukaan lantai rumah tanaman (30 Maret 2012) Pengukuran iklim mikro dilakukan pada saat rumah tanaman dalam keadaan tanpa tanaman. Suhu lantai yang dihasilkan berkisar o C dan suhu udara pada 45 cm di atas permukaan lantai yang dihasilkan berkisar o C (Lampiran 7 dan 8). Namun, pengukuran suhu udara pada 2 m di atas permukaan lantai (sesuai tinggi weather station) berkisar o C, sedangkan suhu udara di luar rumah tanaman berkisar o C. Berdasarkan hasil pengukuran tersebut, suhu udara pada lokasi 45 cm di atas permukaan lantai akan lebih tinggi daripada suhu udara 2 m di atas permukaan lantai. Hal ini disebabkan oleh pengaruh dari panas yang tersimpan dalam material dan tertutupnya lantai oleh beton (60 cm), sehingga udara cenderung stagnan. Jika tidak adanya pengaruh dari kecepatan angin yang signifikan, maka akan terjadi efek Buoyancy. Pembentukan profil suhu tersebut dipengaruhi oleh intensitas radiasi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman. Intensitas radiasi matahari tertinggi yang masuk ke dalam rumah tanaman terjadi pada pukul 12:00, namun suhu tertinggi tidak selalu terjadi pada saat intensitas radiasi matahari tertinggi. Menurut Lippsmeier (1997), panas tertinggi dicapai kira-kira 1 2 jam setelah tengah hari, karena pada saat itu radiasi matahari langsung bergabung dengan suhu udara yang sudah tinggi, sedangkan suhu terendah sekitar 1 2 jam sebelum matahari terbit. Hasil pengukuran menunjukkan suhu udara di dalam rumah tanaman mencapai suhu tertinggi setelah tengah hari (pukul 14:00). 4.2 Simulasi dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulasi CFD dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman. Simulasi dilakukan pada saat radiasi minimum dan radiasi maksimum. Hasil simulasi yang ditampilkan berupa kontur suhu (tampak depan dan tampak samping). Potongan kontur yang ditampilkan meliputi tampak depan (Utara-Selatan) dengan jarak 1.5 m, 6 m dan 10.5 m, sedangkan tampak samping (Barat-Timur) dengan jarak 0.8 m, m dan 5.05 m. Pemilihan jarak ini disesuaikan dengan posisi titik-titik pengukuran suhu yang telah dilakukan dan untuk melihat pola detail sebaran suhu di atas permukaan lantai (maksimum 60 cm). Kontur suhu udara dan permukaan akan menunjukkan sebaran suhu yang terjadi di atas permukaan lantai rumah 25

40 tanaman sehingga diketahui pengaruhnya bagi perpindahan panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Radiasi minimum (0 W/m 2 ) dapat terjadi pada pagi hari dan sore hari, namun untuk simulasi ini diambil pada saat pagi hari karena belum ada pengaruh dari radiasi sebelumnya. Pada saat yang bersamaan untuk pengukuran radiasi 0 W/m 2 kecepatan angin di luar rumah tanaman terukur 0 m/detik. Gambar 20 dan 21 menunjukkan sebaran suhu pada rumah tanaman pada saat radiasi 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). Terlihat bahwa ada perbedaan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman karena struktur rumah tanaman yang cenderung lebih tertutup, suhu di dalam lebih besar dari suhu di luar rumah tanaman. Selisih suhu udara yang dihasilkan antara di dalam dan di luar rumah tanaman kurang lebih sebesar 3 o C. Secara keseluruhan suhu terbesar yang dihasilkan pada rumah tanaman ada di bagian atap dan kedua sisi permukaan lantai bagian luar rumah tanaman. Hal ini disebabkan berkumpulnya panas di bagian atap akibat dari radiasi matahari langsung dan udara panas yang akan keluar dari rumah tanaman akibat efek Chimney. Selain itu, pada saat simulasi dilakukan bagian atap dan kedua sisi permukaan lantai bagian luar rumah tanaman tidak didefinisikan sebagai real wall, sehingga mendapat pengaruh langsung dari kapasitas panas material atap dan lantai. a b c Gambar 20. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m tampak depan 26

41 a b c Gambar 21. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m 27

42 Fokus penelitian ini adalah simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman, dimana dapat mempengaruhi pindah panas konveksi dan aliran udara. Gambar 22 dan 23 menunjukkan sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). Suhu udara di atas permukaan lantai dalam rumah tanaman akan semakin rendah ketika mendekati bagian tengah rumah tanaman. Hal ini disebabkan oleh pada bagian tengah rumah tanaman terjadi pertemuan aliran udara sebagai akibat dari efek Buoyancy, sedangkan bagian samping lebih panas karena pergerakan udara yang terhambat oleh dinding bawah dan pengaruh material dinding. Hasil simulasi ini juga menunjukkan adanya pengaruh dari panas yang tersimpan di dalam lantai rumah tanaman yang dapat mempengaruhi sebaran suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman. a b c Gambar 22. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m 28

43 a b c Gambar 23. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Simulasi yang dilakukan untuk kondisi kedua adalah pada saat radiasi maksimum, yaitu sebesar 1,092 W/m 2. Kecepatan udara yang terukur pada saat radiasi maksimum adalah 1.29 m/detik dengan arah Timur Laut (NE). Adanya kecepatan udara ini mempengaruhi sebaran suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman. Arah kecepatan angin Timur Laut akan mempengaruhi suhu udara rumah tanaman dari sisi (-x) dan (z), sehingga rumah tanaman bagian (-x) dan (z) akan memiliki suhu yang lebih rendah. Namun, apabila melihat perbedaan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman, selisih yang diperoleh relatif kecil yaitu kurang lebih sebesar 1 o C. Hal ini dipengaruhi oleh angin yang bertiup dari luar rumah tanaman. Gambar 24 dan 25 menunjukkan sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi maksimum tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). 29

44 a b c Gambar 24. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m 30

45 a b c Gambar 25. Sebaran suhu rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m tampak 31

46 Pada dasarnya penetapan batasan sistem yang diamati pada bagian bawah rumah tanaman ini adalah dengan tinggi 60 cm, sesuai dengan tinggi dinding bawah pada rumah tanaman. Hal ini bertujuan agar semua proses yang terjadi di rumah tanaman, terutama dalam hal pembentukan iklim mikro hanya disebabkan oleh efek termal, tanpa dipengaruhi oleh angin. Namun, hasil simulasi menunjukkan secara tidak langsung faktor angin mempengaruhi sebaran suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman. Gambar 26 dan 27 menunjukkan sebaran suhu di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi maksimum tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). a b c Gambar 26. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m, dan (c) 10.5 m 32

47 a b c Gambar 27. Sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (kanan) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m 4.3 Validasi Hasil Simulasi Suhu Validasi berfungsi untuk menunjukkan nilai ketepatan antara hasil simulasi dan hasil pengukuran. Data yang digunakan untuk validasi adalah data suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Tabel 4 menunjukkan validasi suhu pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 0 W/m 2. Hasil validasi yang diperoleh berkisar antara % dan error yang dihasilkan untuk semua titik lebih kecil dari 10%, sehingga nilai validasi ini dapat dikatakan akurat. Begitu juga dengan hasil validasi pada saat radiasi 1,092 W/m 2, hasil validasi yang diperoleh berkisar %. Nilai validasi suhu pada saat radiasi maksimum ditampilkan pada Tabel 5. Pada dasarnya, perhitungan validasi ini diperoleh dengan menghitung error dari setiap titik pengukuran. Hubungan error dan validasi ini adalah berbanding terbalik. 33

48 Sehingga, semakin besar nilai error yang diperoleh maka memperkecil nilai validasi yang dihasilkan. Kemudian, perbedaan suhu menunjukkan selisih suhu antara suhu pengukuran dan suhu simulasi. Semua nilai perbedaan suhu pada tabel menunjukkan nilai yang positif. Hal ini karena dalam perhitungan selisih suhu dijadikan mutlak dan bertujuan untuk memudahkan dalam perhitungan validasi. Pada kenyataannya, ada nilai perbedaan suhu yang negatif, karena nilai suhu pengukuran yang lebih kecil dari nilai suhu simulasi. Nilai suhu pengukuran lebih kecil atau lebih besar dari suhu simulasi menunjukkan error yang dihasilkan menyebar secara sistematis. Titik Tabel 4. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 0 W/m 2 Koordinat x y z Suhu Pengukuran ( o C) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Perbedaan ( o C) Error (%) Validasi (%) Maksimum (Titik 1) Minimum (Titik 6)

49 Tabel 5. Validasi suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi pada saat radiasi 1,092 W/m 2 Titik Koordinat x y z Suhu Pengukuran ( o C) Suhu Simulasi ( o C) Suhu Perbedaan ( o C) Error (%) Validasi (%) Maksimun (titik 3) Minimum (titik 12) Metode lain yang digunakan untuk menunjukkan validasi hasil simulasi adalah dengan melakukan analisis regresi linear. Analisis ini dilakukan dengan menghubungkan suhu hasil pengukuran dan hasil simulasi menggunakan grafik. Ada dua grafik yang dianalisis, yaitu hasil simulasi suhu permukaan lantai dan hasil simulasi suhu udara di atas permukaan lantai. Gambar 28 menunjukkan grafik validasi simulasi suhu permukaan lantai rumah tanaman. Hubungan grafik ini menghasilkan nilai a dan b masing-masing sebesar dan Model simulasi 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. Prediksi sebaran suhu permukaan lantai rumah tanaman dapat dikatakan baik mengingat nilai keseragaman grafik yang diperoleh sebesar (94.6%). Begitu pula untuk grafik validasi simulasi suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman yang menghasilkan nilai a dan b masing-masing sebesar dan (Gambar 29). Prediksi sebaran suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman ini juga dapat dikatakan baik mengingat nilai keseragaman grafik yang diperoleh sebesar (94.7%). 35

50 44 y = x Suhu Simulasi ( o C) y = 0.947x R² = Suhu pengukuran ( o C) Gambar 28. Grafik validasi suhu permukaan lantai rumah tanaman 38 y = x 36 Suhu Simulasi ( o C) y = 0.899x R² = Suhu pengukuran ( o C) Gambar 29. Grafik validasi suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman 36

51 4.4 Pindah Panas Konveksi dan Pola Aliran Udara di Atas Permukaan Lantai Rumah Tanaman Peristiwa pindah panas di rumah tanaman dapat terjadi di beberapa komponen rumah tanaman, salah satunya adalah lantai. Parameter utama yang dibutuhkan untuk mengetahui pindah panas secara konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman adalah suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas lantai (45 cm di atas permukaan lantai), dimana data yang digunakan adalah data hasil simulasi. Proses pindah panas konveksi yang terjadi di atas permukaan lantai rumah tanaman dihitung dengan Persamaan 9, dan secara langsung dipengaruhi oleh suhu lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai (45 cm). Besarnya nilai pindah panas konveksi yang dihasilkan berbanding lurus dengan selisih suhu antara suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai serta berbanding lurus dengan nilai koefisien pindah panas konveksi. Semakin besar nilai selisih suhu dan nilai koefisien pindah panas konveksi, maka akan semakin besar pindah panas konveksi yang dihasilkan. Begitu pula sebaliknya, semakin kecil selisih suhu dan nilai koefisien pindah panas konveksi, maka akan semakin kecil pindah panas yang terjadi. Pola pindah panas konveksi pada rumah tanaman disajikan pada Tabel 6. Tabel 6 menunjukkan besarnya nilai pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman dapat dilihat dari tiga bagian rumah tanaman (Barat-Timur), yaitu bagian kiri, tengah dan kanan rumah tanaman sesuai dengan jarak pengukuran untuk tampak samping. Pada pagi hari (06:00), pindah panas konveksi yang terjadi relatif kecil yaitu berkisar W. Hal ini disebabkan oleh belum adanya pengaruh secara langsung dari radiasi matahari, sehingga suhu di dalam rumah tanaman cukup konstan. Bagian kiri rumah tanaman yang memiliki nilai pindah panas konveksi paling rendah, karena pada pagi hari radiasi matahari yang masuk akan mengenai bagian kiri rumah tanaman dan suhu lantai menjadi lebih panas. Selisih yang kecil antara suhu lantai dan udara di atas permukaan lantai menyebabkan pindah panas pada bagian ini menjadi kecil. Pada saat radiasi maksimum, pindah panas konveksi yang dihasilkan berkisar W. Adanya pengaruh dari kecepatan angin dari luar rumah tanaman mempermudah terjadinya proses pindah panas di atas permukaan lantai rumah tanaman. Bagian kanan rumah tanaman mempunyai nilai pindah panas yang lebih kecil karena selisih suhu yang kecil, walaupun kecepatan angin kecepatan angin yang relatif besar mengenai bagian ini. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar kecepatan angin tidak memperbesar nilai pindah panasnya, tetapi mempermudah proses pindah panas konveksi dengan mendinginkan suhu permukaan lantai dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Selain untuk mengetahui sebaran suhu dan analisis pindah panas konveksi, hasil simulasi dengan menggunakan CFD ini dapat juga diaplikasikan untuk mempelajari pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman terjadi karena efek termal. Hasil simulasi yang ditampilkan berupa kontur dan vektor kecepatan udara (tampak depan dan tampak samping). Potongan kontur yang ditampilkan sama halnya dengan potongan kontur hasil CFD suhu yang meliputi tampak depan (Utara-Selatan) dengan jarak 1.5 m, 6 m dan 10.5 m, sedangkan tampak samping (Barat-Timur) dengan jarak 0.8 m, m dan 5.05 m. Gambar 30 dan 31 menunjukkan pola aliran udara yang terjadi di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). Prinsipnya pada saat kecepatan angin dari luar rumah tanaman 0 m/detik, pergerakan udara di dalam rumah tanaman terjadi karena efek termal. 37

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

53 a b c Gambar 31. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Hasil simulasi menunjukkan adanya efek Buoyancy yang terjadi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Sebagian besar dari gambar terlihat pola aliran udara yang masuk ke dalam rumah tanaman melewati beton bawah, kemudian bergerak naik ke atas rumah tanaman karena adanya perbedaan kerapatan udara dan terbentur dinding bawah. Walaupun selisih kecepatan udara kecil dan kulit manusia tidak dapat merasakannya, tetapi polanya dapat dilihat jelas 39

54 menggunakan CFD. Namun, untuk daerah yang dekat dengan pintu, terlihat bahwa kecepatan udara yang dihasilkan lebih besar karena tidak terhalang oleh dinding beton. Gambar 32 dan 33 menunjukkan pola aliran udara yang terjadi di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). a b c Gambar 32. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m 40

55 a b c Gambar 33. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 0 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Berdasarkan hasil simulasi pada saat radiasi maksimum, efek termal tidak mempengaruhi aliran udara di dalam rumah tanaman. Faktor termal berperan dominan pada saat kecepatan udara rendah, sehingga terjadi pergerakan udara akibat perbedaan suhu dan kerapatan udara di dalam dan di luar rumah tanaman. Kamaruddin (1999) menyatakan bahwa batas kecepatan udara dimana faktor termal masih dapat berperan dominan adalah sebesar 1 m/detik, sedangkan menurut Papadakis et al. (1996) sebesar 1.67 m/detik. Disamping itu, Papadakis et al. (1996) menyatakan bahwa pada saat kecepatan udara lebih dari 1.8 m/detik, efek termal terhadap laju ventilasi dapat diabaikan. Gambar 34 dan 35 menunjukkan pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi 1,092 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). 41

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

57 a b c Gambar 35. Pola aliran udara di rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak samping (Barat-Timur) pada jarak (a) 0.8 m, (b) m dan (c) 5.05 m Arah datang dan besarnya kecepatan angin mempengaruhi proporsi udara di dalam rumah tanaman. Hal ini berarti aliran udara dengan arah (-x) dan (z) lebih mendinginkan bagian rumah tanaman belakang dan samping kanan. Namun, untuk bagian dinding bawah yang terhalang beton, kecepatan angin yang dihasilkan akan lebih rendah dibandingkan bagian ventilasi dinding. Besarnya kecepatan udara mempengaruhi cepat tidaknya pergantian udara di dalam rumah tanaman. Terlihat bahwa di setiap sisi kanan dan kiri dinding beton bawah udara berputar seperti lingkaran karena terhalang beton. Aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman memang 43

58 relatif kecil, karena strukturnya yang tertutup dinding bawah rumah tanaman. Kecepatan udara dari luar pada kondisi ini mempengaruhi kecepatan perpindahan udara, namun tidak untuk besarnya kecepatan udara (khususnya di atas permukaan lantai rumah tanaman). Gambar 36 dan 37 menunjukkan pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi 1,092 W/m 2 dari tampak depan (Utara-Selatan) dan tampak samping (Barat-Timur). a b c Gambar 36. Pola aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman pada saat radiasi matahari 1,092 W/m 2 tampak depan (Utara-Selatan) pada jarak (a) 1.5 m, (b) 6 m dan (c) 10.5 m 44

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

60 V. SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan a. Simulasi sebaran suhu udara dan permukaan lantai rumah tanaman dapat dilakukan dengan menggunakan CFD. Suhu permukaan lantai hasil pengukuran berkisar o C dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar o C, sedangkan suhu permukaan lantai hasil simulasi yang dihasilkan berkisar o C dan suhu udara di atas permukaan lantai rumah tanaman (45 cm) berkisar o C. Validasi sebaran suhu yang diperoleh berkisar % untuk radiasi minimum (0 W/m 2 ) dan % untuk radiasi maksimum (1,092 W/m 2 ). b. Hasil simulasi CFD dapat diaplikasikan untuk mempelajari pola pindah panas konveksi di atas permukaan lantai rumah tanaman. Nilai pindah panas konveksi yang dihasilkan berkisar W pada saat radiasi minimum (0 W/m 2 ) dan W pada saat radiasi maksimum (1,092 W/m 2 ). c. Aliran udara di atas permukaan lantai rumah tanaman dapat dipelajari dari hasil simulasi CFD dan fungsi ventilasi untuk proses pertukaran udara dapat dibuktikan terjadi di dalam rumah tanaman. 5.2 Saran a. Perangkat lunak Solidwork dan metode CFD perlu dipelajari lebih mendalam dan lebih awal, terutama mahasiswa yang akan melakukan penelitian menggunakan metode ini. b. Dalam simulasi CFD penetapan definisi kondisi batas (real wall) harus lebih diperhatikan dan sesuai dengan tujuan yang akan dicapai, karena definisi real wall yang berbeda akan mempengaruhi hasil simulasi CFD. c. Penelitian lanjutan untuk mendapatkan persamaan empiris dari koefisien pindah panas konveksi (h) pada lantai perlu dilakukan, dengan model tersebut untuk mempermudah dalam menghitung dan mengetahui keseimbangan panas yang berlaku di rumah tanaman.

61 DAFTAR PUSTAKA Campen JB Greenhouse design applying CFD for Indonesian conditions. Wageningan: Agrotechnology & Food Innovations. Cengel YA Heat Transfer : A Practical Approach Second Edition. New York: McGraw- Hill Companies, Inc. Hanan JJ Greenhouses Advanced Technology for Protected Horticulture. Cambridge: CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington DC. Impron I, Hemming S, Bot GPA Simple greenhouse climate model as a design tool for greenhouses in tropical lowland. Netherland: Kacira M Greenhouse environmental control. USA: Agricultural and Biosystem Engineering Controlled Environment Agriculture Center. Kamaruddin R A Naturally Ventilated Crop Protection Structure for Tropical Condition [Ph.D Thesis]. Cranfield: SAFE, Cranfield University. Katalog Solar Tuff. [28 Juni 2012]. Mastalerz JW The Greenhouse Environment The Effect of Environmental Factors on The Growth and Development of Flowers Crops. New York: John Wiley & Sons, Inc. Nelson PV Greenhouse : Operation and Management. Virginia: Prentice Hall Company, Inc. Nurianingsih R Analisis Pola Aliran dan Distribusi Suhu Udara pada Rumah Tanaman Standard Peak menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) [skripsi]. Bogor: Program Sarjana, Institut Pertanian Bogor. Romadhonah Y Simulasi distribusi suhu dan kelembaban udara untuk pengembangan desain rumah tanaman di daerah tropika basah [tesis]. Bogor: Program Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Satwiko P Fisika Bangunan. Yogyakarta: ANDI. Schroeder DV An Introduction to Thermal Physics. United States: Addison Wesley Longman. Soegijanto Bangunan di Indonesia dengan Iklim Tropika Lembab Ditinjau dari Aspek Fisika Bangunan. Jakarta: Ditjen Pendidikan Tinggi Depdikbud. Sridadi B Perkembangan teknologi informasi Simulasi komputer. Perkembangan-Teknologi-Informasi-SIMULASI- KOMPUTER. [02 November 2011]. Suhardiyanto H Teknologi Rumah Tanaman untuk Iklim Tropika Basah Pemodelan dan Pengendalian Lingkungan. Bogor: IPB Press. Suhardiyanto H, Romadhonah Y Research on greenhouse application in the tropics. J Keteknikan Pertanian 21(4): Tuakia F Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung: Informatika.

62 Versteeg HK, Malalasekera W An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. New York: Longman Scientific and Technical. 48

63

64 Lampiran 1. Gambar teknik rumah tanaman tipe modified standard peak 50