II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Rumah Tanaman (Greenhouse) Menurut Nelson (1978) dalam Suhardiyanto (2009) mendefinisikan rumah tanaman sebagai suatu bangunan untuk budidaya tanaman yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya. Pada awalnya istilah rumah tanaman digunakan dalam proses produksi tanaman di daerah subtropis karena selama musim dingin tanaman dalam struktur tersebut selalu tampak hijau (green) sepanjang tahun sementara di luar rumah tanaman tanaman tidak dapat bertahan. Hal ini dapat terjadi karena suhu di dalam rumah tanaman lebih tinggi dari pada suhu di luarnya. Rumah tanaman merupakan bangunan yang meneruskan radiasi matahari dimana efisiensinya tergantung pada lokasi, struktur, dan perencanaan rumah tanaman (Muflihati 2006) Suhu udara di dalam rumah tanaman lebih tinggi dibandingkan dengan suhu udara di luar rumah tanaman karena radiasi gelombang panjang yang dipancarkan dari komponen-komponen dalam rumah tanaman, seperti lantai dan dinding. Radiasi matahari gelombang pendek memiliki energi yang besar sehingga sebagian cahaya diteruskan melalui atap ke dalam rumah tanaman, dan sebagian energi dipantulkan kembali. Radiasi matahari yang telah masuk ke dalam rumah tanaman akan terkena bagian permukaan benda-benda yang ada di dalam rumah tanaman kemudian dipantulkan dalam bentuk gelombang panjang. Radiasi matahari gelombang panjang memiliki energi yang kecil sehingga tidak dapat diteruskan keluar akan tetapi dipantulkan kembali di dalam rumah tanaman. Energi yang terus-menerus dipantulkan tersebut akan meningkatkan suhu di dalam rumah tanaman. Peristiwa tersebut disebut efek rumah tanaman (greenhouse effect). Nelson (1978) dalam Muflihati (2006) mendefinisikan rumah tanaman sebagai suatu bangunan yang bersifat tembus cahaya agar cahaya yang dibutuhkan tanaman dapat masuk ke dalam bangunan dan tanaman terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan, seperti curah huja yang deras, tiupan angin yang kencang atau keadaan suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi yang dapat menghambat pertumbuhan tanaman. Ada tiga bagian struktur utama konstruksi rumah tanaman, yaitu bagian atap, dinding, lantai dan pondasi. Atap adalah bagian teratas pada rumah tanaman yang terdiri dari kuda-kuda, rangka atap dan penutup. Berfungsi untuk melindungi bangunan dari iklim luar. Dinding berfungsi melindungi bagian dalam rumah tanaman dari hal-hal yang tidak diinginkan, seperti angin kencang, hujan, hama dan penyakit tanaman. Lantai berfungsi sebagai pijakan untuk meletakkan elemen tambahan dalam rumah tanaman seperti bedengan hidoponik dan tangki air. Dan pondasi berfungsi untuk menyangga bagian atas rumah tanaman. Tipe rumah tanaman didasarkan pada kebutuhan dan keadaan kondisi lingkungan serta iklim daerah tersebut. Misalnya saja rumah tanaman di daerah subtropis konstruksi rumah tanaman dikhususkan untuk membantu pertumbuhan tanaman, sedangkan di daerah tropis konstruksinya dikhususkan untuk melindungi tanaman dari hujan dan angin kencang serta menghindari tanaman dari hama dan penyakit tanaman. Beberapa bentuk penampang melintang rumah tanaman di daerah subtropis dapat dilihat pada Gambar 1.
3
Gambar 1. Bentuk Penampang Melintang Rumah Tanaman di Kawasan Beriklim Sub-Tropis (Suhardiyanto 2009) Rumah tanaman merupakan sarana yang tepat untuk melindungi tanaman yang diusahakan dengan sistem hidroponik (Widyastuti 1993). Dalam hubungannya dengan pertumbuhan tanaman, lingkungan fisik tanaman berpengaruh terhadap metabolisme tanaman dan menentukan kelangsungan hidupnya.
2.2. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Aliran dan Distribusi Suhu Udara 2.2.1. Suhu Udara Suhu udara merupakan salah satu faktor atau parameter lingkungan yang sangat penting bagi pertumbuhan tanaman. Suhu udara di sekitar tanaman dipengaruhi oleh energi radiasi dari matahari, pindah panas konveksi, laju evaporasi, intensitas radiasi matahari, kecepatan dan arah angin serta suhu udara lingkungan dilihat secara umum. Suhu udara secara tidak langsung berpengaruh terhadap proses fisik, mekanik dan kimiawi tanaman dan selanjutnya mengendalikan proses biologi dalam tanaman. Pada proses fisik tanaman, 4
suhu udara yang terlalu tinggi dan terlalu rendah akan berdampak buruk bagi tanaman. Pada proses kimiawi tanaman, suhu udara di sekitar tanaman dipertahankan pada kondisi yang optimum. Apabila suhu udara terlalu rendah, maka proses kimiawi seperti pengangkutan unsur-unsur yang terkandung dalam media tanaman tidak akan terangkut seluruhnya karena sebagian jaringan pada tanaman akan mati yang akan menyebabkan terhambatnya pertumbuhan. Energi matahari yang masuk ke dalam rumah tanaman secara radiasi dipantulkan dari semua permukaan. Energi ini diserap oleh tanaman, lantai, dan setiap permukaan yang terkena langsung. Energi tersebut kemudian diubah menjadi panas. Kelebihan energi digunakan sebagai panas laten dalam evapotranspirasi, memanaskan udara dalam rumah tanaman secara konduksi dan konveksi serta dipantulkan sebagai radiasi gelombang panjang (Businger 1963). Energi yang dipancarkan sebagai radiasi gelombang panjang ini terperangkap dalam rumah tanaman dan terjebak di dalam rumah tanaman sehingga suhu udara di dalam rumah tanaman akan meningkat. Besarnya rata-rata irradiasi matahari di Indonesia adalah 4,8 kWh/m2/day (Kube 1998 diacu Ropiudin dan Kamaruddin) dan besarnya radiasi yang masuk ke dalam rumah tanaman dipengaruhi oleh persamaan Stefan Boltzmann (Esmay dan Dixon 1986):
dimana πΈπ adalah total energi yang dipancarkan, adalah emisisivitas bahan, βT adalah besarnya suhu mutlak dan π adalah konstanta Stefan Boltzmann 5,67 x 10-8 W/m2.K4.
2.2.2. Kelembaban Relatif Udara Kelembaban Relatif udara (relative humidity, RH) adalah rasio antara tekanan uap air aktual pada suhu tertentu dengan tekanan uap air jenuh pada suhu tersebut. RH dipengaruhi oleh suhu udara dalam rumah tanaman dan laju migrasi uap air dari tanaman atau tanah ke udara karena adanya perbedaan tekanan uap diantara tempat-tempat tersebut. Kelembaban yang terlalu rendah menyebabkan tingginya kehilangan air pada tanaman. Kelembaban yang terlalu tinggi menyebabkan tumbuhnya organisme-organisme yang tumbuh di tempat yang lembab seperti jamur dan lumut. Suhu dan kelembaban udara merupakan faktor lingkungan yang penting, karena berpengaruh pada pertumbuhan tanaman dan berperan hampir pada semua proses pertumbuhan.
2.2.3. Kecepatan Udara Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Udara bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke udara bertekanan rendah. Udara yang masuk ke dalam rumah tanaman memiliki laju kecepatan udara yang tergantung pada luas ventilasi. Laju kecepatan udara berpengaruh pada laju transpirasi, laju evaporasi, serta ketersediaan CO2 dalam udara. Kecepatan udara dan pengaruhnya terhadap tanaman disajikan dalam Tabel 1: Tabel 1. Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Tanaman Kecepatan Udara (m/s) 0,1 β 0,25
Pengaruh Memudahkan pengambilan CO2
0,5
Pengambilan CO2 oleh tanaman menurun
1,0
Menghalangi pengambilan CO2 atau pertumbuhan tanaman
> 4,5
Kerusakan fisik tanaman
(Krisek 1978 diacu Esmay dan Dixon 1986) 5
2.2.4. Radiasi Matahari Menurut Hanan et al. (1978) banyak penelitian mengenai orientasi rumah tanaman yang berkaitan dengan arah mata angin, seperti Lawrence (1963) menunjukkan bahwa rumah tanaman yang berorientasi arah Timur-Barat akan menerima lebih banyak radiasi matahari dibandingkan dengan orientasi arah Utara-Selatan. Harnett (1974) menunjukkan bahwa penelitian yang dilakukan oleh Lawrence menggunakan tipe rumah tanaman multispan arah Timur-Barat menerima lebih banyak radiasi matahari dibandingkan dengan rumah tanaman arah Utara-Selatan. Selain itu, radiasi juga berpengaruh bagi pertumbuhan tanaman. Radiasi yang paling penting bagi tanaman adalah cahaya tampak yang mempunyai panjang gelombang 390 β 700 nm. Aspekaspek penting dari cahaya adalah intensitas, durasi dan distribusi spektral. Berikut ini adalah jenisjenis panjang gelombang dan pengaruhnya terhadap tanaman (Esmay dan Dixon 1986): Tabel 2. Pengaruh Panjang Gelombang Cahaya Terhadap Tanaman Panjang Gelombang
Pengaruh
Ultra Violet (290 β 390 nm)
Tidak menguntungkan bagi pertumbuhan tanaman.
Cahaya Tampak (390 β 700 nm) Infra Merah (700 β 4000 nm)
Berpengaruh dalam proses fotosintesis. Berguna bagi perubahan dari fase vegetatif ke fase generatif tanaman.
Intensitas cahaya merupakan besaran pokok fisika untuk mengukur daya yang dipancarkan oleh suatu sumber cahaya pada arah tertentu per satuan sudut. Besarnya intensitas radiasi matahari yang diterima oleh tanaman tergantung pada jenis tanaman itu sendiri. Penerimaan intensitas matahari pada bunga anggrek cymbidium adalah 1500-1800 candela, sedangkan pada bunga lili. Mawar dan geranium adalah 10000 candela (Esmay dan Dixon 1986). Durasi atau lamanya radiasi yang tersedia mempunyai kaitan dengan pertumbuhan tanaman. Pada pertumbuhan normal tanaman, lama penyinaran yang optimum untuk kelapa sawit adalah 7-5 jam/hari dan untuk kelapa adalah 1800-2000 jam/tahun dengan cahaya yang memiliki panjang gelombang 390 β 700 nm. Distribusi spektral merujuk pada distribusi spektrum cahaya yang diperoleh tanaman (Suhardiyanto 2009).
2.3. Ventilasi Sistem ventilasi yang sering digunakan yaitu sistem ventilasi alamiah dan ventilasi mekanis (buatan). Tujuan ventilasi adalah memasukkan udara luar ke dalam rumah tanaman. Secara umum, fungsi atau tujuan dari sistem ventilasi pada bangunan adalah untuk mendinginkan ruangan, memurnikan kembali udara di dalam ruangan dan menghilangkan gas-gas beracun yang terakumulasi di dalam suatu ruangan (Suhardiyanto 2009). Ventilasi alamiah adalah pertukaran udara di dalam suatu bangunan dengan udara di luarnya tanpa menggunakan kipas atau peralatan mekanik lainnya (Lindley dan Whitaker 1996 diacu Suhardiyanto 2009). Pada sistem ventilasi alamiah akibat faktor termal, pergerakan aliran udara disebabkan akibat adanya efek buoyansi. Efek buoyansi terjadi akibat adanya perbedaan tekanan antara di dalam dan di luar rumah tanaman yang menyebabkan perbedaan kerapatan udara. Tekanan udara di dalam lebih rendah dibandingkan tekanan udara di luar rumah tanaman, sehingga udara luar akan masuk ke dalam rumah tanaman melalui bukaan ventilasi dan mendorong udara di dalam ke luar. Sistem ventilasi akibat faktor angin terjadi karena adanya pergerakan angin yang menerpa rumah tanaman sehingga menyebabkan perbedaan kerapatan udara antara posisi di dalam dan di luar rumah 6
tanaman. Menurut Papadakis et al. (1996) dalam Suhardiyanto (2009) menyatakan bahwa pada saat kecepatan angin di atas 1,8 m/s efek termal terhadap laju ventilasi dapat diabaikan. Kinerja ventilasi alamiah pada rumah tanaman tergantung kepada rancangan bukaan ventilasi dan lokasi rumah tanaman (Suhardiyanto 2009). Kinerja ventilasi alamiah dinyatakan dalam laju (rate) aliran udara volumetrik yang melewati bukaan ventilasi dengan satuan m3/s per m2 luas bukaan ventilasi (Takakura 1979 diacu Suhardiyanto 2009). Luas lubang bukaan masuk (inlet) sama dengan luas lubang bukaan keluar (outlet). Berikut adalah persamaan yang digunakan untuk menentukan luas bukaan ventilasi pada ventilasi alamiah karena faktor angin (Esmay dan Dixon 1986).
dimana A adalah luas lubang bukaan (m2), Q adalah laju ventilasi (L/s), E adalah efektifitas bukaan (0,5 β 0,6 untuk arah angin tegak lurus dinding: 0,25 β 0,35 untuk arah diagonal), dan V adalah kecepatan linier dari angin (m/s). Jika suhu udara di dalam bangunan lebih panas dari suhu luar, maka tekanan udara di dalam rumah tanaman akan lebih rendah dari tekanan udara luar sehingga terjadi aliran udara ke dalam bangunan atau inflow apabila tekanan udara dalam lebih besar dari pada luar terjadi aliran udara keluar atau outflow. Ventilasi mekanis relatif dapat memberikan efek pengendalian suhu yang lebih baik karena dapat dikendalikan sesuai dengan keinginan. Namun, sistem ini memerlukan biaya investasi dan operasional yang harus dipertimbangkan secara ekonomis apabila akan diterapkan pada usaha komersial. Pada prinsipnya, aliran yang diperlukan untuk pertukaran udara di dalam bangunan digerakkan oleh tenaga mekanis dengan peralatan yang disebut kipas angin atau fan (suhardiyanto, 2009).
2.4. CFD (Computational Fluid Dynamics) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah sebuah ilmu terapan yang mempelajari dinamika aliran fluida dan transfer panas dengan pendekatan model matematika diferensial dan teknik numerik. Dengan menggunakan CFD prediksi aliran di berbagai sistem dapat dilakukan dengan biaya yang relatif murah dan dengan waktu yang relatif singkat dibandingkan dengan menggunakan metode eksperimen (Anonim 2010). Program CFD dapat memprediksi aliran fluida pada kondisi tertentu menggunakan penyelesaian persamaan-persamaan yang mengatur aliran fluida. Persamaan aliran fluida merupakan persamaan diferensial parsial. Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan menggunakan persamaan diferensial. Berikut adalah contoh hasil simulasi CFD pada rumah tanaman (Campen et al. 2009).
Gambar 2. Hasil simulasi komputer distribusi suhu udara pada rumah tanaman. 7
Penelitian menggunakan CFD sudah banyak dilakukan sebelumnya, misalnya simulasi pada bangunan pertanian seperti kandang sapi perah oleh Yani et al. (2007), kandang ayam pedaging beratap monitor oleh Muflihati (2006) dan rumah Tradisional Badui dan rumah modern oleh Andhini (2010), serta penggunaan kemasan karton yang dilakukan oleh Adhinata (2008). Penelitian menggunakan CFD lebih ditujukan untuk menganalisis dan mengetahui pola aliran serta distribusi suhu iklim mikro di dalam suatu bangunan atau material. Computational Fluid Dynamics atau CFD adalah suatu sistem dari konsep dasar aliran fluida dan pindah panas yang menggunakan simulasi berbasis computer (Wulandani et al. 2001). CFD dapat melakukan analisis aliran fluida pada suatu bangunan dengan terlebih dahulu menyelesaikan persamaan-persamaan fluida yang mengatur aliran fluida. Persamaan pengatur (governing equations) ini dibangun dari suatu model aliran fluida berdasarkan prinsip kekekalan massa dan prinsip kekekalan momentum atau persamaan Navier-Stokes (Anonim 2010). Komputer digital tidak akan dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut secara langsung. Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial, koordinat kartesian dan dipecahkan menggunakan teknik CFD tiga dimensi yang didasarkan pada analisis numerik. CFD terdiri dari tiga elemen utama, yaitu: 1) Pre-Processor Elemen pre-processor terdiri dari input masalah aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator dan transformasi input berikutnya menjadi bentuk yang sesuai dengan pemecahan solver. Input yang diberikan ini berupa : a. Pendefinisian geometri dari daerah yang dianalisis. b. Penentuan jenis aliran (eksternal atau internal) c. Pemilihan fenomena fisik yang diperlukan seperti gravitasi, kecepatan angin, dan jenis material. d. Penentuan sifat-sifat fluida (konduktivitas, massa jenis, viskositas, panas jenis, dan sebagainya). e. Penentuan mesh. f. Penentuan domain. g. Penentuan kondisi batas yang sesuai. h. Penentuan goal atau keluaran yang ingin dicapai. Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu udara, dan lain-lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh sejumlah sel dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel maka ketelitian hasil pemecahan akan semakin baik (Tuakia 2008). 2) Solver Solver adalah pemecahan model persamaan dasar aliran fluida (model persamaan konservasi massa atau kontinuitas, momentum dan energi) menggunakan analisa numerik. Persamaan dasar aliran fluida (persamaan diferensial parsial) ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar yang sederhana yang disebut dengan metoda diskritisasi. Diskritisasi adalah proses transformasi persamaan diferensial parsial menjadi persamaan matematik yang lebih sederhana (Anonim 2010). Umumnya persamaan diskrit yang dihasilkan dari integrasi persamaan diferensial parsial pada volume kontrol adalah dalam bentuk persamaan implisit. Salah satu cara untuk menyelesaikan persamaan implisit yang terdiri dari banyak persamaan individual dihasilkan adalah dengan metode iterasi (Anonim 2010). 8
Proses iterasi adalah membuat sebuah tebakan terhadap nilai variabel- variabel yang terdapat pada persamaan implisit. Proses iterasi terus dilakukan sampai selisih antara ruas kiri dan ruas kanan persamaan (residual error) mencapai nilai tertentu yang mendekati nol atau dapat dikatakan dengan konvergen (Anonim 2010). 3) Post-Processor Setelah persamaan tersebut kovergen, maka properti fluida dan aliran yang menjadi variabel pada persamaan dapat ditampilkan. Properti fluida dan aliran yang ditampilkan berupa model pindah panas yang dihasilkan dalam distribusi suhu udara, vektor dan distribusi kecepatan angin menjadi bentuk-bentuk sebagai berikut: a. b. c. d. e. f.
Tampilan geometri domain dan grid Plot vektor Plot permukaan 2D dan 3D Tracking partikel Manipulasi pandangan Output berwarna
2.5. SolidWorks Perkembangan teknologi CAD terus berkembang dengan pesat seiring tuntutan industri yang menginginkan kemudahan dalam pembuatan gambar yang diperuntukkan bagi proses produksi. Software CAD yang pada awalnya berupa teknologi 2D, kini telah beralih ke teknologi 3D. Penggunaan software SolidWorks juga telah digunakan pada penelitian sebelumnya untuk mempermudah penggambaran geometri rumah tanaman seperti yang dilakukan oleh Andhini (2010). Saat ini terdapat begitu banyak software CAD 3D yang beredar di pasaran. SolidWorks adalah salah satu software yang populer diantara sekian banyak software CAD 3D yang ada (Prabowo 2009). SolidWorks adalah software CAD 3D yang sangat mudah digunakan (easy to use). Software tersebut adalah software automasi desain yang berbasis parametrik yang memudahkan penggunanya dalam mengedit file-file gambar yang sudah dibuat. SolidWorks biasa digunakan untuk membuat gambar sederhana maupun gambar yang kompleks atau rumit (Prabowo 2009).
9
