IV. PEMBAHASAN A. Distribusi Suhu dan Pola Aliran Udara Hasil Simulasi CFD Simulasi distribusi pola aliran udara dan suhu dilakukan pada saat ayam produksi sehingga dalam simulasi terdapat inisialisasi panas ayam yang mempengaruhi suhu lingkungan kandang. Pengukuran suhu di kandang dilakukan pada pukul 10:00 WIB hingga pukul 16:00 WIB dengan keadaan cuaca cerah. Simulasi tidak memasukkan analisis time dependency sehingga hanya digunakan satu data yang mewakili suhu lingkungan maksimum yaitu pada pukul 13:00.
Area I, 5940 ekor ayam Area II, 8910 ekor ayam
Exhaust fan area udara keluar/outlet Area III, 4950 ekor ayam
Evaporative pad area udara masuk/inlet
Gambar 5. Geometri kandang piktorial dengan bagian atap disembunyikan (hidden). Bentuk geometri dari ayam diasumsikan sebagai plat datar setebal 1 cm yang tidak mempengaruhi aliran dalam simulasi. Plat datar tersebut dibagi dalam tiga area yang menggambarkan perbandingan jumlah ayam dalam tiap area seperti ditunjukkan pada gambar 5. Dua area inlet udara berada pada evaporative pad bagian depan didefinisikan sebagai environment pressure. Exhaust fan didefinisikan sebagai outlet velocity. Sedangkan hubungan perbedaan tekanan (Pa) dan debit aliran tidak didefinisikan karena sudah diwakili dengan data kecepatan angin dan arah aliran didefinisikan tegak lurus terhadap permukaan fan. Keterbatasan definisi exhaust fan disebabkan karena data spesifikasi exhaust fan 26
yang digunakan di kandang tidak tersedia baik di modul engineering database software
EFD Lab 2008 ataupun tercatat di kandang
closed house tempat
penelitian. Pemilihan mesh menggunakan pilihan mesh tingkat 5 setelah melalui proses mesh dependency test. Jumlah seluruh cell yang terbentuk pada mesh tingkat 5 berjumlah 672.689 cells yang terdiri dari fluid cells berjumlah 469.648 cells dan solid cells berjumlah 31.696 cells dan iterasi dilakukan hingga global goals mencapai kovergen selama 420 kali iterasi. Hasil simulasi ditampilkan dalam bentuk cut plot contour dan vector. Penyajian gambar hasil simulasi tampak atas ditampilkan pada ketinggian 0,25 meter, 0,45 meter, dan 1,7 meter untuk menunjukkan adanya perbedaan profil pada setiap ketinggian. Profil pada ketinggian 0,25 meter dapat juga mewakili ketinggian pada daerah habitat ayam sedangkan profil pada ketinggian 1,7 meter dapat mewakili ketinggian manusia ketika berdiri.
Drag force
Drag force
Daerah separasi aliran
Daerah pertemuan dua aliran udara
Gambar 6. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi aliran udara pada inlet Pada gambar 6 menggambarkan udara masuk dari dua ujung evaporatif pad karena adanya hisapan dari exhaust fan yang bekerja. Terjadi desakan udara pada ujung evaporative pad sehingga timbul drag force. Drag force adalah gaya dari fluida yang mendesak suatu benda pada arah aliran fluida tersebut (Cengel dan Turner, 2001). Aliran udara masuk yang tertahan itu disebabkan adanya sudut pada ruang pemisah antara evaporative pad dan kandang. Pemberian ruang 27
pemisah berfungsi untuk mengeliminir efek wind chill (anonim, 2007). Efek wind chill adalah penurunan suhu yang drastis dirasakan oleh ayam karena hembusan angin yang terlalu kencang. Akibat timbulnya drag force pada sudut di ruang pemisah, menyebabkan adanya flow separation atau pemisahan aliran. Pemisahan aliran adalah fenomena ketika aliran fluida berpisah dari permukaan benda setelah sebelumnya aliran mengikuti kontur permukaan benda tersebut. Area pemisahan ini tergantung dari beberapa faktor seperti bilangan reynold dan kekasaran permukaan benda. Makin besar tekanan akibat drag force maka makin besar pula daerah pemisahan aliran yang terjadi (Cengel dan Turner, 2001). Penurunan kecepatan aliran terjadi pada daerah separasi. Di luar daerah separasi, kecepatan aliran udara bertambah karena adanya pertemuan antara dua aliran udara dari kedua ujung evaporative pad. Ketika aliran udara menabrak sudut dinding pemisah meyebabkan aliran terdesak pada daerah pertemuan dua aliran udara. Pada area ini kecepatan aliran udara bertambah karena berkurangnya daerah efektif aliran.
Gambar 7. Cut plot contour parameter kecepatan udara pada iterasi ke-330 tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang
28
Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada iterasi ke-420 parameter kecepatan udara tampak atas pada: (a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang
Setelah aliran udara masuk melewati inlet dan bertumbukan sehingga menyebabkan bertambahnya kecepatan di area pertemuan dua aliran yang masuk dari inlet, aliran udara menjadi terganggu sebelum akhirnya membentuk aliran berkembang penuh. Gangguan pada aliran udara ini disebabkan karena adanya tumbukan dua aliran udara dari dua inlet yang berbeda. Pada gambar 7 tampak aliran udara menabrak dinding kandang sehingga aliran udara tersebut tidak membentuk aliran berkembang penuh. Aliran berkembang penuh atau fully development flow adalah suatu profil aliran dimana profil alirannya konstan atau stabil (Cengel dan Turner, 2001). Aliran udara yang tidak stabil itu membentuk gelombang yang berubah-rubah tiap waktu. Pada gambar 7 menggambarkan pada ketinggian 0,25 meter dan 0,45 meter kecepatan aliran udara semakin merata dan kecepatan alirannya semakin rendah. Hal ini disebabkan karena letak profil aliran 29
udara tersebut berada dibawah evaporative pad sebagai inlet udara masuk. Ketinggian evaporative pad tersebut berada pada ketinggian 0,65 meter hingga 2,25 meter diatas lantai kandang. Kecepatan yang cenderung lebih merata dan lebih rendah pada area ketinggian habitat ayam akan mengurangi efek wind chill, membuat performansi ayam lebih merata, dan mencegah terangkatnya debu dan kotoran dari lapisan litter ayam di lantai. Pada gambar 8 menunjukkan cut plot contour tampak depan kecepatan aliran udara pada model kandang closed house. Gambar tersebut menunjukkan adanya kenaikan kecepatan aliran udara pada area inlet disebabkan adanya tumbukan aliran udara dari kedua inlet. Lalu aliran mulai stabil setelah menjauhi inlet. Pada gambar 9 ditampilkan gambar tekanan udara tampak atas. Gambar tersebut menggambarkan tekanan pada ujung inlet rendah sedangkan pada sepanjang daerah aliran udara setelah inlet, aliran udara relatif konstan. Fenomena ini secara umum dapat dijelaskan dengan hukum bernouli yang menyatakan bahwa jumlah dari energi kinetik, energi potensial, dan energi aliran fluida adalah konstan selama aliran fluida merupakan aliran yang tak termampatkan atau incompressible dan gaya gesek diabaikan (Cengel dan Cimbala, 2006 ). Tekanan pada ujung inlet tinggi berbanding terbalik dengan kecepatan aliran udara pada area tersebut yang rendah karena udara baru masuk dan belum terjadi tumbukan. Pada area terjadinya pertemuan dua aliran udara, tekanan menjadi semakin rendah karena kecepatan udara pada area ini semakin tinggi.
30
Gambar 8. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi profil kecepatan udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) Peristiwa pindah panas yang paling mempengaruhi dalam kandang closed house adalah pindah panas konveksi dari ayam ke udara karena adanya aliran udara secara mekanis yang disebabkan beroperasinya exhaust fan. Adanya 31
peristiwa konveksi paksa itu dapat dilihat pada gambar 10. Inisialisasi panas ayam menggunakan definisi heat source dari plat datar. Sedangkan panas dari konstruksi bangunan didefinisikan sebagai real wall dari permukaan konstruksi bangunan tersebut. Definisi heat soure merupakan prinsip heat flux konstan sedangkan real wall merupakan prinsip temperatur konstan dalam pindah panas konveksi.
Gambar 9. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter tekanan udara tampak atas pada:(a) Jarak vertikal 1.7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0.25 m dari lantai kandang
32
Gambar 10. Cut plot contour dan vector pada akhir iterasi parameter suhu tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang Konveksi paksa pada tubuh terjadi ketika aliran udara menerpa tubuhnya. Konveksi paksa tersebut menyebabkan berkumpulnya panas di ujung outlet. Semakin dekat dengan sumber panasnya, profil akumulasi panas semakin terlihat jelas. Suhu udara pada area kandang yang tidak merata ini dapat mengurangi performansi ayam, sehingga perlu dilakukan pengaturan kepadatan ayam. Pengaturan kepadatan ayam dilakukan dengan cara di bagian belakang lebih rendah daripada kepadatan ayam di bagian tengah dan depan seperti yang dilakukan pada simulasi ini. Kepadatan ayam pada area tiga yang berada di bagian belakang dibuat paling rendah kepadatannya untuk mengurangi heat stress pada ayam karena adanya akumulasi panas yang dihisap oleh exhaust fan.
33
Exhaust fan
Evaporative ad
Gambar 11. Cut plot tampak samping profil temperatur udara pada kandang Pada gambar 11 menggambarkan terbentuknya thermal boundary layer akibat adanya konveksi paksa pada suatu permukaan benda yang memiliki suhu dibawah atau diatas suhu dari fluida yang mengalir pada permukaannya. Thermal boundary layer adalah daerah aliran fluida diatas permukaan benda dimana variasi suhunya terhadap arah normal atau tegak lurus terhadap permukaan benda tersebut cukup signifikan (Cengel dan Turner, 2001). Ketebalan dari thermal boundary layer pada kandang closed house ini terus bertambah hingga ujung dari aliran udara atau di area exhaust fan. Profil thermal boundary layer menunjukkan peristiwa konveksi pindah panas antara permukaan benda dan fluida. Jika terdapat aliran fluida diatas permukaan benda yang dipanaskan atau didinginkan, velocity boundary layer dan thermal boundary layer akan terbentuk secara simultan. Fenomena ini menunjukkan kecepatan udara yang mengalir di atas permukaan benda tersebut mempunyai pengaruh besar terhadap konveksi pindah panas yang terjadi (Cengel dan Turner, 2001). Pada gambar 12 menggambarkan bahwa panas akibat konveksi dari material atap relatif tidak berpengaruh terhadap ayam. Konveksi panas dari ayam dan bagian dinding terpal cenderung lebih berpengaruh signifikan dan panasnya akan terakumulasi pada kandang bagian belakang.
34
Gambar 12. Cut plot contour dan vector profil temperatur udara tampak depan: (a) Jarak 110 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (b) Jarak 60 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (c) Jarak 12 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (d) Jarak 6 m dari pintu depan kandang (ujung inlet); (e) Jarak 2 m dari pintu depan kandang (ujung inlet) Parameter kelembaban udara juga disimulasikan dalam penelitian ini. Tetapi perhitungan kelembaban udara tidak memperhitungkan adanya penguapan yang terjadi pada tubuh ayam, udara pernapasan ayam, litter, dan penguapan dari bahan-bahan cair seperti air minum ayam dalam kandang. Tampak pada gambar 13, pola penyebaran profil kelembaban udara makin tinggi di daerah inlet. 35
Tingginya kelembaban udara di area inlet akan menyebabkan heat index ayam makin tinggi. Makin tinggi heat index ayam mengindikasikan makin rentannya ayam mengalami heat stress. Tetapi kecenderungan ini dieliminir dengan kecepatan udara yang tinggi pada daerah inlet yang menghasilkan suhu efektif terbaik untuk ayam. Tingkat kelembaban udara yang tinggi di bagian area inlet akan bertambah jika dioperasikannya evaporative pad cooling. Kondisi ini tidak baik untuk performansi ayam karena litter yang mengandung amonia dari kotoran ayam sulit menguap sehingga pengaturan kepadatan ayam pada area ini dibuat lebih rendah daripada pada area dua di bagian tengah kandang. Dengan pengaturan kepadatan tersebut diharapkan kandungan amonia udara pada area satu tidak terlalu tinggi.
Gambar 13. Cut plot dan vector parameter kelembaban udara tampak atas pada : (a) Jarak vertikal 1,7 m dari lantai kandang; (b) Jarak vertikal 0,45 m dari lantai kandang; (c) Jarak vertikal 0,25 m dari lantai kandang
36
Gambar 14. Grafik nilai kecepatan aliran udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris Data hasil pengukuran dan simulasi di plot pada titik-pengukuran validasi yang sebaris untuk mengetahui pola aliran udara, distribusi suhu dan kelembaban relatif. Letak titik pengukuran dapat dilihat pada gambar 1, gambar 2, dan gambar 3. Dari grafik kecepatan aliran udara pada gambar 14 tampak bahwa kecepatan aliran udara makin jauh dari inlet kecepatannya makin turun. Titik pengukuran nomor satu dan nomor dua terletak pada area pertemuan dua aliran udara sehingga nilainya menunjukkan angka paling tinggi. Setelah itu kecepatan udara cenderung turun di sepanjang alirannya dan kecepannya naik kembali ketika tiba di ujung outlet. Suhu pada kandang closed house cenderung naik pada ujung inlet. Tetapi konturnya cenderung tidak seragam karena parameter suhu di kandang dipengaruhi banyak hal seperti konduksi dinding, terpal, hembusan angin, dan konveksi panas dari ayam. Titik pengukuran nomor sembilan tidak valid karena termokopel pada titik tersebut rusak sehingga bisa diabaikan. Distribusi kelembaban relatif cenderung turun semakin menjauhi inlet udara. Suhu dan kelembaban di daerah tropis memiliki karakter yang berlawanan. Jika suhu nya tinggi maka kelembaban relatifnya cenderung rendah dan sebaliknya jika suhunya rendah maka kelembaban relatifnya cenderung tinggi.
37
Gambar 15. Grafik nilai suhu udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris
Gambar 16. Grafik nilai kelembaban relatif udara pada titik-titik pengukuran yang sebaris 38
B. Validasi Validasi yang dilakukan pada simulasi ini meliputi validasi pengukuran dan validasi mesh. Validasi pengukuran dilakukan dengan menghitung nilai Standard Error Prediction (SEP), bias ( d ), Coefficient of Variation (CV) dan Average Precentage of Deviation (APD). Hasil simulasi dikatakan baik jika nilai SEP yang diperoleh dibawah 4.0, nilai bias mendekati nol, nilai CV dibawah 5%, dan nilai APD mendekati 0. Setelah dilakukan simulasi dan dilakukan perhitungan, didapatkan bahwa nilai SEP untuk parameter suhu sebesar 1,653, nilai bias sebesar 0,89, nilai CV sebesar 4,99% dan nilai APD sebesar 6,4. Nilai validasi untuk parameter suhu sangat baik dikarenakan nilai SEP nya di bawah 4.0 dan CV dibawah 5%. Ini menunjukkan bahwa pendefinisian dalam simulasi untuk parameter suhu sudah cukup baik sehingga hasil simulasi dapat dipercaya. Walaupun begitu dari pengamatan di lapangan selama pengukuran ada termokopel yang kurang baik kondisinya di titik pengukuran tertentu.
kecepatan udara (m/s)
Grafik Suhu 37 36 35 34 33 32 31 30
pengukuran aktual hasil simulasi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 titik pengukuran
Gambar 17. Grafik nilai suhu aktual dan hasil simulasi Kecepatan aliran udara mempunyai tingkat validasi yang baik. Untuk parameter kecepatan aliran udara didapatkan nilai SEP sebesar 0,3, nilai bias sebesar 0,39, nilai CV sebesar 15,28% dan nilai APD sebesar 10,63. Tingkat validasi cukup baik karena nilai SEP dibawah 4.0 tetapi nilai CV diatas 5%. ini disebabkan karena pendefinisian exhaust fan pada kandang hanya memasukkan 39
nilai kecepatan udara hasil pengukuran. Faktor lain yang mempengaruhi adalah definisi kondisi udara pada simulasi adalah udara ideal sedangkan udara pada kandang closed house sebenarnya memiliki kandungan gas-gas seperti amonia, debu dari litter yang terbawa aliran udara, dan kandungan material lainnya.
kecepatan udara (m/s)
Grafik Kecepatan Aliran Udara 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
pengukuran aktual hasil simulasi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314 titik pengukuran
Gambar 18. Grafik nilai kecepatan udara aktual dan hasil simulasi Untuk meningkatkan tingkat validasi dibutuhkan data spesifikasi kipas yang sesungguhnya berupa data hubungan antara tekanan dan debit udara. Data lain yang dapat dimasukkan dalam definisi fan di EFD Lab untuk mendekati nilai validasi yang baik adalah data intensitas turbulensi udara dan kecepatan angular exhaust fan. Validasi untuk kelembaban udara dilakukan dengan cara yang sama yaitu menghitung nilai SEP, bias, dan nilai APD. Nilai SEP sebesar 17,49, nilai bias sebesar -3,33, nilai CV sebesar 25,21% dan nilai APD sebesar 15,12. Tingkat validasi untuk parameter kelembaban udara tidak baik karena tidak memenuhi kriteria, tetapi pola profil kelembaban udara yang digambarkan dalam simulasi dapat dipercaya karena data antara pengukuran aktual dan nilai simulasi menunjukkan pola yang sama seperti ditunjukkan pada gambar 15. Rendahnya tingkat validasi kelembaban udara disebabkan karena tidak diperhitungkan adanya faktor penguapan dari ayam dan bahan cairan lain di kandang. Faktor penguapan dari ayam dan bahan cairan lain tidak diperhitungkan dalam kandang disebabkan terlalu kompleksnya mekanisme penguapan tersebut untuk disimulasikan. 40
kelembapan relatif (m/s)
Grafik Kelembapan Relatif 75 70 65 60 55
pengukuran aktual hasil simulasi
50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 titik pengukuran
Gambar 19. Grafik nilai kelembaban udara aktual dan hasil simulasi Pada simulasi dengan program EFD Lab juga diperlukan validasi mesh. Validasi mesh dilakukan dengan mengubah-ubah level mesh hingga hasil yang diperoleh tidak berbeda jauh. Pada keadaan pertama level mesh 3 (default) diubah ke level mesh yang lebih tinggi. Dari proses tersebut hasil yang didapatkan pada level mesh 4 dan 5 tidak memiliki perbedaan begitu besar, sehingga level mesh 5 bisa digunakan untuk proses simulasi. C. Kondisi Lingkungan yang Sesuai Untuk Ayam dan Fenomena Aliran Yang Ada Dalam Kandang Closed house Kandang closed house didesain untuk menyediakan udara yang sehat bagi peternakan ayam dan menyediakan iklim mikro yang nyaman untuk ayam. Udara yang sehat yaitu udara yang mengandung sebanyak-banyaknya oksigen, dan mengeluarkan sesegera mungkin gas-gas berbahaya seperti karbondioksida dan amonia. Prinsipnya yaitu pergantian udara dalam kandang secara cepat dan lancar (anonim, 2007). Dari pengukuran diketahui bahwa debit aliran udara untuk pergantian udara di kandang ketika semua exhaust fan menyala adalah sebesar 50,18 m3/s. Iklim mikro yang nyaman dalam kandang dicapai dengan cara mengeluarkan panas dari kandang yang dihasilkan tubuh ayam dan lingkungan ke luar kandang, menurunkan suhu udara yang masuk, serta mengatur kelembaban yang sesuai. Kenyamanan thermal ayam dapat diketahui melalui suhu efektif 41
ayam. Suhu efektif ini dipengaruhi oleh tiga faktor yaitu suhu aktual, tingkat kelembaban dan kecepatan angin. Kenaikan suhu aktual dalam kandang akan langsung dirasakan oleh ayam. Sedangkan kenaikan kelembaban udara akan mengurangi kemampuan tubuh ayam untuk mengeluarkan panas tubuhnya melalui pengeluaran uap air baik melalui kulit atau pernapasan. Gejala ini
memicu
rendahnya feed intake dan efek penting pada ayam. Kecepatan aliran udara akan membantu ayam untuk melepaskan panas tubuhnya melalui konveksi paksa yang ditimbulkan dari efek aliran udara dari exhaust fan. Dari hasil simulasi diketahui bahwa suhu rata-rata dalam kandang closed house sebesar 33,5oC. Di kandang closed house cikabayan IPB tempat penelitian ini berlangsung, untuk mengetahui suhu efektif ayam dapat didekati melalui tabel temperatur efektif seperti ditunjukkan dalam contoh tabel pada lampiran 5. Pemilihan bahan bangunan kandang mempengaruhi suhu aktual dalam kandang karena berhubungan dengan proses radiasi, konduksi, dan konveksi bahan ke lingkungan kandang. Pengaturan pengoperasian sistem evaporative cooling pad bersama dengan kecepatan angin mempengaruhi tingkat kelembaban dan suhu dalam kandang. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan mengatur jumlah exhaust fan yang dioperasikan. Pengaturan ini terutama penting ketika ayam sudah berumur dewasa dan suhu lingkungan sangat tinggi untuk menjaga tingkat kematian ayam dan menjaga performansi ayam. Menurut Simmons JD, 2003, pengaruh kecepatan udara pada ayam broiler umur 3-4 minggu tidak berpengaruh terhadap pertambahan berat badan ayam. Tetapi pada umur 4-5 minggu, kecepatan 2 m/s – 3 m/s secara signifikan dapat mempengaruhi pertambahan berat badan ayam. Berdasarkan data simulasi, kecepatan udara dalam kandang closed house cukup baik untuk menambah berat ayam karena diketahui bahwa kecepatan udara rata-rata di kandang sebesar 2,28 m/s. Dari data yang ada, suhu udara rata-rata hasil simulasi sebesar 33,53oC, kecepatan udara rata-rata sebesar 2,28 m/s, dan kelembaban relatif hasil pengukuran dilapangan sebesar 71% maka didapatkan suhu efektif ayam pada waktu pengukuran sekitar 25oC. Menurut Harris et al. (1974) dalam Farrel (1979) kisaran suhu dimana pertambahan berat badan ayam efisien antara 15oC-27oC sehingga dengan suhu efektif ayam sekitar 25oC, performa ayam masih baik. 42
Melalui pengoperasian kandang yang baik dapat menekan tingkat kematian ayam hingga kematian maksimal ayam hanya 2% pada setiap satu masa produksi. Pada kandang biasa terjadi kematian massal karena ayam mengalami heat stress yang berlebihan. Namun pengoperasian dan pengaturan kandang ayam closed house yang tidak sesuai bisa menyebabkan turunnya tingkat produksi pada kandang tersebut secara drastis.
43
