II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Ayam Ras Broiler Ayam ras broiler adalah salah satu jenis ayam tipe pedaging yang dipelihara di Indonesia secara komersial. Kata broiler berasal dari daerah bagian timur negara Amerika Serikat yang berarti unggas yang sangat muda usianya (Leeson, 2000). Tipe ayam pedaging sebelumnya merupakan hasil sampingan dari produksi telur. Namun saat ini industri peternakan ayam modern telah banyak berdiri khusus untuk memproduksi ayam pedaging yang kegiatannya meliputi budidaya ayam pedaging dan industri pengolahan ayam. Saat ini, perubahan pada pembibitan ayam broiler (pedaging) dilakukan dengan memuliabiakkan secara teratur ayam bibit yang berbeda dan masing – masing memiliki sifat unggul seperti pertumbuhan cepat, produksi telur tinggi, efisiensi pakan tinggi, dan tahan terhadap penyakit. Sifat yang unggul ini akan digabungkan menjadi satu dalam satu galur melalui program seleksi breed dan menyilangkannya (Fadillah et al., 2006). Pemeliharaan ayam broiler breeder untuk komersial pada periode pemanasan dimulai sejak DOC diterima hingga umur 3-4 minggu. Periode pemanasan sangat penting karena pada periode ini terjadi perkembangan fisiologis yang menentukan keberhasilan usaha ayam, yaitu periode pembentukan sistem kekebalan tubuh, sistem kardiovaskuler, pembentukan tubuh, dan awal pembentukan kerangka tubuh (Fadillah et al., 2006). Kondisi lingkungan yang tidak sesuai dengan karakteristik ayam dapat menyebabkan penurunan produksi hingga penyebaran penyakit. Penyakit pada ayam ras broiler yang disebabkan karena kualitas udara yang kurang baik antara lain flu burung, penyakit berak darah (Coccidiosis), Infectious Laryngotrachesis, Infectious Stunting Syndrome, Newcastle Disease atau tetelo (Fadillah et al., 2006).
3
Tabel 1. Beberapa kondisi lingkungan kandang dan akibatnya pada ayam Kondisi Akibat pada ayam Kelembaban tinggi
Ayam mengalami heat stress dan memicu rendahnya feed intake
Suhu tinggi
Ayam mengalami heat stress karena terjadinya fluktuasi suhu yang tinggi antara siang dan malam.
Kecepatan tinggi
angin Ayam mengalami efek wind chill terutama pada anak ayam.
Sumber: Anonim, 2007
Tabel 2. Pengaruh temperatur terhadap produksi unggas Suhu Pengaruh Terhadap Produksi < 10° C Menurunkan angka pertumbuhan dan produksi 10-21° C Menurunkan efisiensi penggunaan makanan 21-26° C Selang temperatur ideal 26-29° C Terjadi penurunan dalam perolehan makanan, ukuran telur dan kualitas telur agak menurun 29-32° C
Pertumbuhan lambat, konsumsi makan menurun, ayam mulai terengah-engah kepanasan, produksi telur, ukuran telur dan kualitas sel menurun, serta konsumsi air minum meningkat
32-35° C 35-38° C
Unggas terserang stress, konsumsi makan menurun Kemungkinan terjadi kematian
Sumber: M. K Yoesoef, 1985 dalam Priyatno, 2002
Dalam Farrel (1979) menurut Cowan dan Michie (1978) mengatakan bahwa performa ayam–ayam broiler menurun pada suhu diatas 23oC. Dari laporan Harris et al. (1974) dalam Farrel (1979) juga mengatakan bahwa suhu optimum untuk pertumbuhan ayam broiler adalah pada suhu 21oC sedangkan kisaran suhu dimana pertambahan berat badan ayam efisien antara 15oC-27oC. B. Kandang Tertutup (Closed House) Kandang tipe tertutup dibuat dengan tujuan agar keadaan lingkungan luar seperti udara panas, hujan, angin, dan intensitas sinar matahari tidak berpengaruh banyak terhadap keadaan dalam kandang. Sebagian besar kandang dibuat tertutup 4
dengan tembok, seng, atau layar, kecuali bagian ujung kandang untuk udara masuk (inlet) dan bagian ujung kandang satunya untuk tempat kipas (outlet) (Fadillah et al, 2006). Kandang ayam sistem tertutup harus mampu mengeluarkan gas – gas beracun dan panas berlebih di dalam kandang yang dihasilkan dari ayam yang dipelihara. Sistem ventilasi di kandang tertutup merupakan bagian yang penting untuk diperhatikan karena berperan dalam sirkulasi udara. Sistem ventilasi di kandang tertutup tergantung dari jenis kipas yang digunakan. Berdasarkan cara kerja kipas, sistem ventilasi di kandang tertutup dibagi menjadi dua cara, yaitu mendorong udara masuk dan menyedot udara keluar (Fadillah et al, 2006). Sistem pendinginan atau cooling system yang diterapkan dalam kandang sistem tertutup diterapkan berbeda – beda tergantung wilayah dan situasi iklim setempat. Di Indonesia kita bisa temukan sistem pendingin dengan menggunakan pad pendingin, media evaporative atau fogging system. Sistem ini memanfaatkan evaporasi air dari media pad atau media evaporative lainnya sehingga udara yang melintas pada media ini akan turun suhunya (Anonim, 2007). Unsur-unsur selain sistem ventilasi dan sistem pendinginan yang perlu diperhatikan dalam kandang sistem tertutup antara lain jenis kipas, dinding kandang, filter cahaya, masukan udara, sistem pencahayaan, panel kontrol, dan sistem elektrik (Anonim, 2007). Semua unsur tersebut menjadi satu kesatuan konsep global yang ada pada kandang closed house. C. Faktor Yang Mempengaruhi Distribusi Suhu di Kandang Closed House Ayam adalah hewan homeothermic atau berdarah panas yang harus mempertahankan suhu tubuhnya dalam rentang suhu yang sempit. Oleh karena itu agar ayam merasa nyaman perlu dibuat lingkungan yang sesuai dengan kondisi ayam tersebut. Suhu tubuh unggas lebih bervariasi daripada mamalia, oleh karena itu tidak ada suhu tubuh yang pasti untuk unggas. Untuk ayam dewasa suhu tubuhnya berkisar antara 105o F-107o F (40,6o C- 41,7o C) (Bell dan Weaver, 2001).
5
Faktor yang mempengaruhi parameter suhu dalam kandang adalah pindah panas dari tubuh ayam, sistem insulasi kandang, dan sistem ventilasi kandang. C.1 Pindah panas dari tubuh ayam ke lingkungan Dalam kandang terjadi proses pindah panas dari tubuh ke lingkungan sekitar kandang. Menurut Bell dan Weaver (2001), proses pindah panas itu terjadi dalam beberapa cara. Cara-cara terjadinya pindah panas adalah : 1. Radiasi Ketika temperatur dari tubuh ayam lebih besar daripada daerah batas sekitar atau lingkungan, maka terjadi perpindahan panas secara radiasi hingga panas daerah sekitar ayam atau lingkungannya sama dengan suhu tubuh ayam. 2. Konduksi Terjadi pindah panas ketika tubuh ayam kontak dengan permukaan dari objek lain yang suhunya lebih rendah seperti lantai atau dinding kandang. 3. Konveksi Ketika aliran udara dengan suhu lebih rendah daripada suhu ayam mengenai tubuh ayam tersebut sehingga suhu tubuh ayam turun.
Sedangkan kegiatan yang dilakukan ayam yang menyebabkan terjadinya pindah panas di dalam kandang adalah: 1. Ekskresi Sejumlah kecil panas hilang dari tubuh ayam melalui pengeluaran ekskresi. 2. Produksi Telur Kehilangan panas lewat telur yang dikeluarkan oleh ayam. Tetapi ini adalah faktor minor yang kurang diperhitungkan.
Faktor lainnya yang perlu diperhatikan untuk mengamati proses pindah panas dalam kandang adalah : 1. Panas Sensibel Panas yang terdeteksi pada tubuh ayam. 6
2. Panas Laten Seperti pada mamalia yang terjadi proses evaporasi melalui kelenjar keringat, ayam juga mengalami proses pendinginan secara evaporasi melalui penguapan dari lapisan lembab pada sistem respirasinya (paru–paru dan pundi udara). C.2 Sistem insulasi dan konstruksi kandang Secara umum bangunan kandang harus kokoh dan kandang tidak boleh terlalu panas. Sistem insulasi atau sistem penyekat panas diberi harga dengan nilai R atau RSI. Nilai R dan RSI ini menunjukkan resistensi bahan terhadap panas. Angka tersebut menunjukkan besarnya daya sekat panas suatu bahan yang sering digunakan dalam kandang ayam. Tabel 3. Nilai insulasi untuk material dengan ketebalan 25 mm Material RSI R Fiberglass 0,60 3,40 Polystyrene 0,65 3,70 Polyurethane 1,00 5,70 Wood 0,30 1,70 Concrete 0,00 0,01 Window-single 0,15 0,85 Window-Thermal 0,33 1,87 Sumber : Leeson and Summers. 2000. Broiler breeder production. Canada: UNIVERSITY Books
Tabel 4. Nilai insulasi untuk kandang ayam dalam kondisi iklim yang berbeda Condition
R
Wall RSI
R
Roof RSI
Hot Climate 2 0,35 8 1,40 Cold Climate 20 3,50 30 5,30 Sumber : Leeson and Summers. 2000. Broiler breeder production. Canada: UNIVERSITY Books
Material penyekat panas harus dalam tetap kering agar uap dapat berperan sebagai konduktor panas dan proses pindah panas dapat berlangsung optimal. Bahan material seperti polystyrene, polyurethanes, dan vermicullite tidak menyerap air sehingga tidak membutuhkan bahan pelapis untuk menahan uap. Tetapi untuk beberapa bahan material yang menyerap air seperti cellulose, fiberglass dan beberapa jenis produk wool akan menyerap panas dan 7
membutuhkan bahan yang menahan uap yang terpisah (Bell dan Weaver, 2006). C.3 Sistem ventilasi Ventilasi adalah hubungan antara masukan udara, kipas, dan pola angin yang terbentuk. Jenis kipas atau kombinasi kipas yang dipakai tergantung dari sistem ventilasi apa yang diterapkan (anonim, 2007). Sistem ventilasi di kandang closed house menurut cara kerja kipas secara umum dapat dibagi dua yaitu tekanan positif dan tekanan negatif. Cara kerja sistem ventilasi tekanan positif yaitu dengan cara mendorong udara masuk ke dalam kandang sedangkan sistem tekanan negatif bekerja kebalikannya yaitu mengalirkan udara ke luar kandang. Sistem ventilasi bertekanan dalam kandang closed house dapat dikelompokkan dalam dua jenis yaitu tunnel ventilation system dan cooling pad system (Fadillah et al., 2006). Dalam penelitian ini, kandang closed house yang diteliti termasuk dalam tunnel ventilation system. D. Suhu Efektif Ayam Suhu efektif adalah suhu yang dimanfaatkan oleh ternak untuk kehidupannya, dipengaruhi oleh suhu dan kelembaban udara, radiasi matahari dan kecepatan angin (West, 1994 dalam Yani Ahmad, 2007). Suhu efektif menunjukkan tingkat kenyamanan pada ayam broiler karena suhu efektif menggambarkan suhu yang benar-benar dirasakan oleh ayam. Keadaan paling kritis untuk ayam di kandang closed house adalah pada saat 1-2 jam setelah posisi matahari tertinggi. Karena pada waktu tersebut suhu udara mencapai suhu tertinggi. Suhu udara tertinggi pada 1-2 jam setelah posisi matahari tertinggi, dengan 43% radiasi matahari dipantulkan kembali, 43% diserap oleh permukaan bumi, dan 14% diserap oleh atmosfer (Anggraeni, 2007). Kelembaban relatif sangat berpengaruh terhadap suhu yang dirasakan ayam. Kelembaban relatif menurut Bell dan Weaver (2001) adalah kuantitas dari uap air di udara dibandingkan dengan kandungan uap air maksimum pada suhu tertentu. Semakin
tinggi kelembaban relatif pada lingkungan akan
menyebabkan tubuh ayam semakin sulit untuk mendinginkan suhu tubuhnya melalui sistem penguapan tubuhnya. Sedangkan kecepatan udara yang menerpa 8
tubuh ayam sangat membantu ayam untuk melepaskan panas dari tubuhnya karena terjadi konveksi panas dari permukaan kulit ayam ke udara yang bergerak. E. Computational Fluid Dynamics Computational Fluid Dynamics (CFD) berkembang dengan pesat ketika National Aerospace Plane (NASP) menjadikannya sebuah project pada tahun 1980 untuk menguji sebuah desain pesawat luar angkasa. CFD saat itu telah berkembang hingga dapat memperhitungkan aliran udara pada benda tumpul yang bergerak dalam kecepatan hipersonik. Saat ini CFD sudah digunakan dalam banyak bidang seperti bidang perencanaan desain otomotif dan mesin, industri manufaktur, arsitektur perkapalan, teknik sipil, dan bidang kajian lingkungan. Menurut Tuakia, 2008, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematikanya. Sedangkan menurut Anderson, 1995, Computational Fluid Dynamic adalah sebuah seni untuk menempatkan persamaan integral atau turunan parsial dari persamaan matematika fundamental fluida dengan bentuk aljabar diskret untuk mendapatkan nilai medan aliran pada titik-titik waktu dan koordinat tertentu. CFD merupakan pendekatan pemecahan permasalahan dari persamaan kontinum (sel tak hingga) menjadi suatu persamaan yang diskret (sel hingga). Perhitungan komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya metode beda hingga (finite difference method), metode element hingga (finite element method), metode volume hingga (finite volume method), metode elemen batas (boundary element method) dan metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method) (Tuakia, 2008). Teknik
Computational Fluid Dynamics untuk memecahkan suatu
persoalan aliran fluida saat ini dikembangkan menggunakan tiga pendekatan, yaitu pendekatan teori, percobaan, dan simulasi CFD (Anderson, 1995). Dengan ketiga pendekatan itu diharapkan CFD dapat berguna untuk membantu
9
menjelaskan hasil simulasi berdasarkan eksperimen yang dilakukan dan berdasarkan landasan teori yang ada. Membuat simulasi menggunakan teknik CFD di lakukan dalam tiga tahap proses utama yaitu Pra-pengolahan, pemecahan masalah dan pasca-pengolahan. 1. Pra-pengolahan Tahap ini berguna untuk mendefinisikan input dari simulasi yang akan di buat. Pada tahap Pra-pengolahan didefinisikan beberapa hal berikut sebagai input : a. Menentukan batas computational domain dari gambar geometri yang akan dianalisis. b. Menentukan sifat bahan gambar geometri dan sifat fluida yang akan dianalisis melalui modul engineering database yang tersedia. c. Menentukan tingkat mesh untuk analisis. d. Menentukan kondisi batas atau boundary condition yang akan dianalisis. e. Menentukan goals atau tujuan yang akan dihitung pada proses pemecahan masalah. Penentuan nilai parameter pada tahap Pra-pengolahan sangat ditentukan dengan pengamatan dan pemahaman terhadap kondisi dan situasi yang terjadi di lapangan. Semakin lengkap dan kompleks pendefinisian pada tahap Pra-pengolahan ini akan semakin tepat pula hasil yang didapat. Tetapi perlu juga diperhatikan sumberdaya komputer yang dimiliki dan waktu untuk melakukan simulasi karena akan membutuhkan sumberdaya dan waktu simulasi yang semakin besar. 2. Pemecahan masalah Tahap ini merupakan tahap untuk
pencarian solusi berdasarkan
definisi dari tahap pra-pengolahan. Persamaan untuk memecahkan input data dari pra-pengolahan dibangun dari tiga prinsip dasar fluida yaitu: 1. Hukum kekekalan massa. Keseimbangan massa fluida menyatakan laju kenaikan (pertambahan) massa elemen fluida sama dengan laju net aliran massa ke dalam 10
elemen fluida dituliskan dalam bentuk persamaan kontinuitas tiga dimensi sebagai berikut (Anderson, 1995): D ( u ) ( v ) ( w) .................................................. .(1) Dt x y z t
dengan ρ merupakan masa jenis dari fluida dan t adalah waktu sedangkan u, v, w merupakan komponen dari vektor kecepatan dalam sumbu x, y, dan z yang diberikan dalam persamaan berikut: V ui vj wk ................................................................................ .(2)
dan i, j, dan k adalah unit vektor pada sumbu x, y,dan z. 2. Laju perubahan momentum Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton). Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Strokes berikut (Anderson, 1995). Momentum x: 2 . ( u ) ( u ) ( uv) ( uw) p V .V 2 u t x y z x x x
v u u w f x y x y z z x ................................(3)
Momentum y: ( v) ( v 2 ) ( uv) ( vw) p v V .V 2 t y x z y y y
v u v w f y x x y z z y ..................................(4)
Momentum z:
( w) ( w 2 ) ( vw) ( uw) p w V .V 2 t Z y x z z z
w v u w f z y y z x z x
............................(5)
11
dengan u, v, dan w merupakan komponen dari vektor kecepatan dalam sumbu x, y, dan z, ρ adalah masa jenis fluida, p adalah tekanan, f adalah gaya per satuan masa yang dikenakan pada fluida, f x adalah f pada sumbu x, V adalah kecepatan skalar, V adalah kecepatan vektor,
adalah koefisien viskositas molekular dan adalah -2/3 .
3. Hukum kekekalan energi. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I 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 dalam persamaan sebagai berikut (Anderson, 1995):
u v w D V2 T T T q k k e k p Dt 2 x x y y z z x y z yx zx xy yy zy xz yz zz u xx v w z x y z x y z x y ................(5) Dengan e merupakan internal energi, k adalah konduktivitas panas, T adalah temperatur fluida, τ merupakan tegangan geser atau shear stress, sedangkan τxy menunjukkan adanya tegangan geser pada arah sumbu x pada bidang yang tegak lurus dengan bidang sumbu y.
3. Pasca-pengolahan Tahap pasca-pengolahan adalah tahap untuk menampilkan hasil dari iterasi pemecahan persamaan pada tahap pemecahan masalah. Pada tahap pasca-pengolahan digunakan teknik komputer grafik untuk menampilkan hasil iterasi persamaan. Beberapa teknik komputer grafik yang biasa digunakan dalam CFD antara lain xy plots, contour plots, vector dan streamline plots, scatter plots, mesh plots, dan composite plots (Anderson, 1995).
12
F. EFD Lab EFD Lab adalah salah satu software yang membantu kita untuk membuat suatu simulasi fluida dengan pendekatan teknik computational fluid dynamic. EFD Lab mempunyai keunggulan dibandingkan software lain sejenis antara lain engineering database yang lebih lengkap dan dapat dengan mudah ditambahkan propertisnya, interface yang mudah digunakan, terdapat modul elektronik untuk simulasi aliran fluida yang berkenaan dengan elektronika, sudah mendukung simulasi dalam model yang mempunyai lubang-lubang kecil (porous media), analisis
wall
dengan
memperhitungkan
kekasaran
permukaannya,
dan
peningkatan resolusi geometri. Di dalam EFD Lab secara umum akan menuntun pengguna untuk melakukan simulasi dengan tahap-tahap sebagai berikut: 1. Menentukan computational domain. Computational domain adalah batas area simulasi. Di EFD Lab terdapat dua tipe analisis yaitu internal flow dan external flow. Computational domain untuk internal flow meliputi seluruh area model geometri yang akan dianalisis dan untuk external flow berupa area prisma segi empat yang mencakup seluruh model geometri. 2. Menentukan initial dan boundary condition. Initial dan boundary condition adalah input data untuk melakukan simulasi. 3. Menentukan mesh. EFD Lab secara otomatis akan membagi mesh pada daerah computational domain sesuai dengan tingkat mesh yang dipilih. Pengguna dapat memperbaiki mesh yang telah dilakukan dengan melakukan refinement ketika perhitungan pada tahap solving berjalan. 4. Menjalankan iterasi perhitungan atau tahap solving. EFD Lab melakukan diskretisasi persamaan navier-stokes dan memecahkan persamaan itu dalam computational domain. 5. Menampilkan hasil. Hasil dari tahap solving ditampilkan dalam gambar geometri, grafik, dan tabel. EFD Lab juga dapat menampilkan hasil yang diperoleh dalam bentuk format microsoft excel, file ASCII, ataupun microsoft word.
13
G. Penelitian Terdahulu Yang Pernah Dilakukan Menggunakan CFD Sudah ada beberapa penelitian pernah dilakukan menggunakan teknik CFD. Muflihati (2006) telah melakukan penelitian tentang analisis pola aliran udara dan suhu pada kandang ayam pedaging beratap monitor menggunakan teknik computational fluid dynamic (CFD). Yani (2007), dalam tesisnya membahas analisis dan simulasi distribusi suhu udara pada kandang sapi perah menggunakan teknik CFD.
Kedua judul penelitian tersebut menggunakan
software fluent sebagai tools untuk pembuatan simulasi CFD nya. Asnawi (2009) melakukan
penelitian mengenai pola aliran udara dan distribusi suhu pada
greenhouse tipe standart peak menggunakan teknik CFD. Ni’am (2009) melakukan simulasi dispersi gas polutan SO2, H2S, dan CO dengan menggunakan teknik CFD. Berbeda dengan penelitian terdahulu yang membahas aliran udara dan proses pindah panas yang terjadi, penelitian ini membahas proses pindah massa dihubungkan dengan jenis polutan dan aliran udaranya pada cerobong asap pabrik industri. Software yang digunakan oleh Asnawi (2009) dan Ni’am (2009) menggunakan software EFD Lab sebagai tools untuk membuat simulasi sama seperti yang digunakan pada penelitian ini.
14
