25
HASIL DAN PEMBAHASAN Profil Iklim Mikro Rumah Tanaman Tipe Standard Peak Selama 24 jam Struktur rumah tanaman berinteraksi dengan parameter lingkungan di sekitarnya menghasilkan iklim mikro yang khas. Kondisi iklim makro di University Farm, Cikabayan dari tanggal 6 Pebruari sampai dengan 20 Pebruari 2010 ditampilkan pada Gambar 15 sampai dengan Gambar 18. Suhu udara terendah adalah 22.2 ⁰C dan tertinggi adalah 35.7 ⁰C dengan RH terendah sebesar 54% dan tertinggi sebesar 90.18%. Selama 15 hari pengukuran, kecepatan angin tertinggi dan radiasi matahari masing-masing adalah 3.1 m/dt dan 1034 W/m2. 38 36 Suhu Udara (⁰C)
34 32 30 28 26 24 22 20
Tanggal
Gambar 15. Kondisi suhu udara di luar rumah tanaman (Tout) di University Farm dari tanggal 6 Pebruari sampai dengan 20 Pebruari 2010. Garis putus pada grafik suhu udara, RH, dan radiasi matahari yang terukur selama penelitian disebabkan data logger wireless Vantage Pro2 mati, yaitu pada tanggal 7 Pebruari, 9 Pebruari, 14 Pebruari, dan 19 Pebruari 2010. Pukul 18.00 WIB pada tanggal tersebut terjadi hujan badai dan listrik padam sampai dengan tanggal 8 Pebruari 2010 pukul 05.00 WIB sehingga data logger mati dan tidak dapat merekam kondisi cuaca. Hal yang sama terjadi pada tanggal 14 dan 19 Pebruari 2010, sedangkan pada tanggal 9 Pebruari terjadi error pada data logger akibat setting yang salah saat pemindahan lokasi Wireless Vantage Pro2.
26
100 Relative Humidity (%)
95 90 85 80 75 70 65 60 55 50
Tanggal
Gambar 16. Kondisi RH di luar rumah tanaman (RHout) di University Farm dari tanggal 6 Pebruari sampai dengan 20 Pebruari 2010.
Kecepatan Agnin (m/s)
3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
Tanggal
Gambar 17. Kecepatan angin (WS) yang terukur pada ketinggian 5 m di University Farm dari tanggal 6 Pebruari sampai dengan 20 Pebruari 2010.
27
Radiasi Matahari (W/m2)
1200 1000 800 600 400 200 0
Tanggal
Gambar 18. Radiasi matahari (R) yang terukur di University Farm dari tanggal 6 Pebruari sampai dengan 20 Pebruari 2010. Pengukuran iklim mikro dilakukan pada saat rumah tanaman dalam keadaan kosong tanpa tanaman. Pada Gambar 19 ditampilkan profil suhu udara di dalam rumah tanaman selama 24 jam pada tanggal 11 Pebruari 2010. Suhu udara di dalam rumah tanaman pada ketinggian 1 m dari permukaan lantai berkisar antara 24.6-32.2 ⁰C pada selang suhu udara lingkungan 23.0-32.2 ⁰C. Perbedaan suhu udara lingkungan dan di dalam rumah tanaman tidak lebih dari 5 ⁰C. Ventilasi rumah tanaman yang terdiri dari bukaan di dinding dan di atap ini dapat dikategorikan efektif karena dapat mempertahankan kenaikan suhu udara di bawah 6 ⁰C (Suhardiyanto, 2009). Hasil pengukuran juga menunjukkan terjadi gradien suhu di dalam rumah tanaman, tetapi tidak terlalu besar. Suhu udara pada ketinggian 5 m dari permukaan lantai atau berada di dekat ventilasi atap hampir setiap saat lebih rendah dari pada suhu udara pada ketinggian 1 m dari lantai (Gambar 19). Ratarata suhu udara pada ketinggian 5 m dari lantai adalah 26.36⁰C, sedangkan pada ketinggian 1 m memiliki rata-rata 27.45⁰C. Kenaikan suhu udara di dekat permukaan lantai disebabkan oleh adanya pindah panas radiasi dari permukaan lantai yang sebagian diplester ke udara dalam.
Suhu (⁰C)
28
40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
Waktu (WIB)
RH (%)
Tout
T air 1 m back
Tin 5 m Back
Tf back
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 0:00
6:00 RHout
12:00 Waktu (WIB)
18:00
0:00
RHin 1 m
Gambar 19. Profil suhu udara di dalam rumah tanaman pada ketinggian 1 m dari lantai (Tair I m back), suhu udara di dalam rumah tanaman pada ketinggian 5 m dari lantai (Tair 5 m back), suhu permukaan lantai (Tf back), dan RH pada ketinggian 1 m dari lantai (RHin 1 m) rumah tanaman tipe standard peak yang diteliti pada tanggal 11 Pebruari 2010. Saat radiasi mencapai maksimum di siang hari, suhu udara di dalam rumah tanaman tercatat melebihi 30 ⁰C. Padahal, tingkat suhu udara untuk produksi tanaman di dalam rumah tanaman relatif sama, sekitar 10-30 oC untuk hampir semua spesies dengan beberapa pengecualian pada aplikasi tertentu (Hanan, 1998). Untuk RH, pada Gambar 19 hanya ditampilkan data pengukuran pada ketinggian 1 m dari permukaan lantai karena data pengukuran pada ketinggian 5 m dari lantai tidak valid. Suhu bola basah yang terukur lebih tinggi dari suhu
29
bola kering. Rata-rata RH di dalam rumah tanaman adalah 87.79% dengan nilai terendah 64.85% dan maksimum 95.42%. Perbedaan antara RH lingkungan dan RH di dalam rumah tanaman disajikan pada Gambar 19. Perbedaan RH tertinggi (18.15%) terjadi saat tidak ada angin bertiup dan radiasi matahari mencapai 872 W/m2 pada pukul 11.00. Distribusi Suhu Udara dan RH Simulasi CFD dilakukan untuk mengetahui distribusi suhu udara dan RH di dalam rumah tanaman. Simulasi dilakukan pada 3 kondisi kecepatan angin (WS) yaitu saat tidak ada angin (WS=0 m/dt) untuk Kasus 1, WS=0.4 m/dt untuk Kasus 2, dan saat WS=1.8 m/dt untuk Kasus 3. Hal ini dilakukan untuk mengetahui kinerja ventilasi alamiah rumah tanaman. Distribusi suhu udara dan RH ditampilkan berupa potongan kontur tampak depan (X=9.375 m), tampak samping (Z=4 m), dan tampak atas (Y=1 m). Saat tidak ada angin suhu udara di dalam rumah tanaman yang terletak dekat bukaan hampir sama dengan dengan suhu lingkungan (Gambar 20). Gradien suhu baik secara horizontal, yaitu suhu udara di tengah-tengah (X=6-12 m), maupun secara vertikal tidak terlalu besar. Nilai RH di dalam rumah tanaman lebih rendah dari pada RH lingkungan. Tetapi, secara umum pola distribusi RH tidak jauh berbeda dengan suhu udara seperti terlihat pada Gambar 21. Gambar 22 sampai dengan Gambar 25 merupakan kondisi suhu udara dan RH saat kecepatan angin rendah. Pada saat angin bertiup dengan kecepatan rendah (WS=0.4 m/dt dan WS=1.8 m/dt) terlihat bahwa suhu udara di dalam rumah tanaman hingga ketinggian 3 m dari permukaan lantai tidak berbeda jauh dengan suhu lingkungan. Hal ini disebabkan adanya aliran udara yang bertiup ke dalam rumah tanaman membawa udara segar melalui bukaan di dinding. Udara memasuki rumah tanaman dengan suhu hampir sama dengan yang di luar dan keluar dengan suhu 3 ⁰C lebih hangat. Sementara, di bagian atas terlihat gradien suhu, terutama di dekat atap. Untuk RH, nilainya lebih rendah dibandingkan di luar rumah tanaman dan terlihat adanya gradien RH secara vertikal.
30
a
b
c
Gambar 20. Distribusi suhu udara saat WS=0 m/dt dan radiasi matahari 0 W/m2 tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
31
a
b
c Gambar 21. Distribusi RH saat WS=0 m/dt dan radiasi matahari 0 W/m2 tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
32
a
b
c
Gambar 22. Distribusi suhu udara saat WS=0.4 m/dt dan radiasi matahari 904 W/m2 tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y=1 m di atas lantai (c).
33
a
b
c Gambar 23.
Distribusi RH saat WS=0.4 m/dt dan radiasi matahari 904 W/m2 tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y=1 m di atas lantai (c).
34
a
b
c Gambar 24.
Distribusi suhu udara saat WS=1.8 m/dt dan radiasi matahari 663 W/m2 tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
35
a
b
c Gambar 25. Distribusi RH saat WS=1.8 m/dt dan radiasi matahari 663 W/m2 tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c). Untuk mengetahui keakuratan model CFD yang dibuat maka dilakukan validasi terhadap nilai suhu udara dan RH hasil simulasi. Tabel 4 menampilkan perbedaan antara suhu udara hasil simulasi dan hasil pengukuran. Error yang terjadi untuk suhu udara mencapai 12.81%. Terdapat 6 titik dimana hasil prediksi memiliki error lebih dari 10%. Hal ini disebabkan pendefinisian material yang
36
kurang detail pada bagian lantai rumah tanaman. Sebagian permukaan lantai diplester semen dan sebagian berupa tanah yang ditutup batu kerikil, tetapi dalam simulasi lantai didefinisikan sebagai solid kerikil. Hal ini dapat berpengaruh terhadap hasil prediksi suhu dan menyebabkan error yang cukup besar. Sementara untuk RH, pada Kasus 1, 2, dan 3 masing-masing terjadi error sebesar 12.37%, 19.56%, dan 19.11% (Tabel 5). Tabel 4. Perbedaan suhu udara antara hasil pengukuran dan simulasi Kasus 1
2
3
X (m) 3 3 3 3 15.75 15.75 15.75 15.75 3 15.75 3 3 3 3 15.75 15.75 15.75 15.75 3 15.75 3 3 3 3 15.75 15.75 15.75 15.75 3 15.75
Titik Y (m) 1 1 1 5 1 1 1 5 0 0 1 1 1 5 1 1 1 5 0 0 1 1 1 5 1 1 1 5 0 0
Z (m) 0 -4 -8 -4 0 -4 -8 -4 -4 -4 0 -4 -8 -4 0 -4 -8 -4 -4 -4 0 -4 -8 -4 0 -4 -8 -4 -4 -4
Simulasi (⁰C) 23.04 23.11 23.04 23.09 23.04 23.11 23.04 23.08 28.08 28.08 32.68 32.73 32.69 32.93 32.73 32.76 32.69 32.91 37.05 37.05 31.55 31.60 31.60 31.70 31.55 31.62 31.56 31.81 36.50 36.50
Suhu Pengukuran Perbedaan (⁰C) (⁰C) 23.93 0.89 23.59 0.48 23.19 0.15 23.41 0.32 22.59 0.45 24.81 1.70 22.46 0.58 23.42 0.34 25.03 3.05 28.08 0.00 29.52 3.16 31.06 1.67 31.45 1.24 30.39 2.54 29.01 3.72 31.10 1.66 29.72 2.97 29.70 3.21 34.36 2.69 37.05 0.00 28.62 2.93 30.16 1.44 28.94 2.66 29.25 2.45 28.51 3.04 30.63 0.99 29.31 2.25 28.98 2.83 34.68 1.82 36.50 0.00 Maksimum Rata-rata Minimum
3.72 1.71 0.00
Error (%) 3.72 2.03 0.63 1.37 2.00 6.87 2.57 1.47 12.19 0.00 10.70 5.37 3.94 8.35 12.81 5.35 10.00 10.80 7.83 0.00 10.25 4.77 9.18 8.39 10.68 3.25 7.69 9.78 5.25 0.00 12.81 5.91 0.00
37
Tabel 5. Perbedaan RH antara hasil pengukuran dan simulasi
1
X (m) 15.75
Titik Y (m) 1
Z (m) -4
Simulasi (%) 96.55
2
15.75
1
-4
68.85
85.59
16.74
19.56
3
15.75
1
-4
71.69
88.63
16.94
19.12
Kasus
RH Pengukuran Perbedaan (%) (%) 85.92 10.63
Maksimum Rata-rata Minimum
16.94 14.77 10.63
Error (%) 12.37
19.56 17.02 12.37
Error yang terjadi pada prediksi suhu maupun RH kemungkinan disebabkan oleh pendefinisian sistem pada pemodelan yang masih kurang mendekati kenyataan di lapang. Dalam pembuatan geometri, struktur rumah tanaman tidak dibuat secara detail. Rangka besi dan meja tanaman yang terdapat di dalam rumah tanaman tidak dimasukkan sehingga diperkirakan menjadi penyebab perbedaan yang cukup besar. Untuk mendapatkan hasil prediksi yang lebih baik seharusnya kedua elemen tersebut dimasukkan ke dalam geometri dan didefinisikan sebagai heat source atau sumber panas. 40 y = 1,130x - 2,295 R² = 0,913 Simulasi (⁰C)
35
30
25
20 20
25
30
35
40
Pengukuran (⁰C)
Gambar 26. Perbandingan suhu udara hasil simulasi dengan pengukuran.
38
Pengujian keabsahan juga dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linear antara suhu hasil simulasi (Y) dan hasil pengukuran (X). Persamaan regresi yang terbentuk untuk simulasi suhu udara dapat dilihat pada Gambar 26. Koefisien intersep -2.295 dan gradiennya 1.130. Model simulasi dinyatakan cukup baik memprediksi suhu udara. Untuk RH, pengujian menggunakan garis regresi tidak dapat dilakukan. Hanya ada 3 titik dari 30 titik validasi akibat dari data pengukuran yang tidak valid (Lampiran 4). Pola Aliran Udara dan Ventilasi Alamiah Suhu udara di dalam rumah tanaman cenderung lebih tinggi dari pada di luar akibat greenhouse effect. Karena kondisi lantai yang sebagian diplester maka suhu udara di dekat lantai lebih panas dari pada di bagian atasnya (Gambar 19). Simulasi dengan CFD mampu memberikan visualisasi vektor aliran udara yang terjadi di dalam rumah tanaman seperti terlihat pada Gambar 27, Gambar 28, dan Gambar 29. Saat WS=0 m/dt, terjadi pergerakan udara dari bagian bawah rumah tanaman menuju ke atas (Gambar 27). Karena terdapat bukaan ventilasi di dinding, sebagian udara panas tersebut keluar melalui dinding dan sebagian lagi bergerak menuju bukaan ventilasi di atap dan kemudian keluar rumah tanaman. Vektor aliran udara menunjukkan aliran udara masuk melalui ventilasi dinding menggantikan udara yang keluar. Apabila dilihat dari atas (Y=1 m), terlihat bahwa udara masuk ke dalam rumah tanaman melalui keempat bukaan dinding. Udara menuju bagian tengah rumah tanaman dan menyerap panas dari lantai. Suhu udara meningkat dan menjadi lebih ringan sehingga bergerak ke atas. Pergerakan udara ini berlangsung terus tanpa bantuan alat-alat mekanis seperti kipas angin ataupun exhaust fan. Pola aliran udara tersebut disebut ventilasi alamiah karena thermal effect yang dikenal sebagai "efek cerobong asap" atau chimney effect. Simulasi dengan CFD mampu memberikan prediksi kecepatan pergerakan udara di dalam rumah tanaman. Pada saat WS=0 m/dt, udara di dalam rumah tanaman bergerak dengan kecepatan hingga 0.12 m/dt. Di bagian tengah pada ketinggian Y=1 m, diperkirakan udara bergerak hampir mendekati 0, yaitu 0.02 m/dt.
39
Pada Gambar 27 juga terlihat sebagian udara yang keluar melalui ventilasi atap masuk kembali ke dalam rumah tanaman melalui bukaan di dinding. Hal ini disebabkan adanya vacuum effect di dalam rumah tanaman, yang menarik udara masuk ke dalam melalui bukaan yang lebih rendah. Hal ini dapat diantisipasi dengan menutup bukaan sebagian yaitu yang berada tepat di bawah atap.
a
b
c
Gambar 27.
Pola aliran udara pada WS=0 m/dt tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
40
Pada saat WS=0.4 m/dt, udara di dalam rumah tanaman bergerak dengan kecepatan hingga 0.2 m/dt. Kecepatan udara di dalam rumah tanaman menurun karena melewati bukaan dinding yang ditutup kassa. Pola aliran udara dapat dilihat pada Gambar 28. Di bagian belakang rumah tanaman (X=15 m), terjadi putaran udara akibat pertemuan udara yang dibawa angin dari arah Utara (dinding kiri) dan udara yang masuk karena perbedaan suhu melalui dinding kanan. Demikian pula untuk WS=1.8 m/dt, kecepatan udara di dalam rumah tanaman menurun yaitu hanya sebesar 0.075 m/dt pada posisi X= 9.375 m. Tetapi, kondisi di dalam rumah tanaman lebih baik dimana suhu udara seragam pada ketinggian 1 m dari lantai. Chimney effect terjadi pada saat tidak ada angin maupun saat kecepatan angin rendah. Menurut Suhardiyanto et al. (2006) pada waktu kecepatan angin kurang dari 2 m/dt pertukaran udara cenderung lebih dipengaruhi oleh perbedaan suhu udara di dalam dan di luar rumah tanaman. Chimney effect akan berfungsi efektif apabila desain bangunannya mendukung seperti tipe standard peak yang diteliti. Terlihat dalam Gambar 28 dan Gambar 29 bahwa bukaan ventilasi di dinding berfungsi sebagai inlet dan bukaan ventilasi di atap berfungsi sebagai outlet.
41
a
b
c
Gambar 28.
Pola aliran udara pada WS=0.4 m/dt tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
42
a
b
c Gambar 29.
Pola aliran udara pada WS=1.8 m/dt tampak depan pada jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
