IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1.
Suhu Udara
Hasil pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman pada beberapa titik dapat dilihat pada Gambar 6. Grafik suhu udara di dalam rumah tanaman menyerupai bentuk parabola dari pukul 10:00 suhu di setiap titik pengukuran mengalami kenaikan perubahan suhu yang drastis sebesar dari dan pada batas suhu tertentu kembali menurun dan kemudian naik lagi. Suhu udara pengukuran tertinggi diukur pada pukul 12:00 yaitu 31,90oC di titik 9, sedangkan suhu elemen rumah tanaman tertinggi diukur pada suhu atap yaitu 33,21oC. Suhu udara pengukuran terendah ditunjukkan pada pukul 05:00 yaitu 22,50oC di titik 1, 3, dan 5, sedangkan suhu elemen rumah tanaman terendah diukur pada suhu dinding yaitu 23,69oC. 34
Suhu Udara (oC)
32 30 28 26 24 22 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Waktu setempat (WIB)
Titik 1 Titik 2 Titik 3 Titik 4 Titik 5 Titik 6 Titik 7 Titik 8 Titik 9 Titik 10 Atap Lantai Dinding
Gambar 6. Grafik suhu udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010). Suhu udara di luar rumah tanaman merupakan faktor yang berpengaruh terhadap kondisi suhu udara di dalam rumah tanaman. Suhu udara di luar biasanya lebih rendah dibandingkan suhu udara di dalam rumah tanaman. Hal ini karena suhu udara di luar bangunan dipengaruhi oleh pergerakan angin yang bergerak bebas di alam terbuka, sedangkan suhu udara yang berada di dalam bangunan dipengaruhi oleh angin yang terjebak di dalam rumah tanaman sehingga pergerakannya relatif kecil. Pengukuran suhu udara dalam rumah tanaman dan suhu elemen rumah tanaman dibedakan berdasarkan terkena atau tidaknya titik pengukuran oleh proses pengkabutan. Untuk titik pengukuran yang terkena proses pengkabutan pada siang hari grafik suhu udara tampak bergelombang, sedangkan titik pengukuran yang tidak terkena proses pengkabutan dapat mencapai puncak suhu udara maksimum. Pada Gambar 6, grafik suhu udara terlihat menurun setelah pukul 20:00 dan setelah pukul 00:00 grafik suhu udara mengalami penurunan. Hal ini juga ditunjukkan oleh suhu udara lingkungan rumah tanaman pada Gambar 7. Pada pengukuran suhu udara lingkungan rumah tanaman, suhu udara yang paling tinggi terjadi pada pukul 12:00 sebesar 29,7 oC dimana saat itu puncak intensitas matahari juga terjadi pada
14
pukul 12:00. Suhu udara terendah terjadi pada pukul 05:00 sebesar 23 oC, hal ini karena pada pukul tersebut terjadi proses kondensasi di sekitar rumah tanaman. 30
Suhu udara (oC)
29 28
Temp
27 26 25 24 23 22 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Waktu setempat (WIB)
Gambar 7. Grafik suhu udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010). 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. Pada siang hari hal ini terlihat berbeda apabila dalam rumah tanaman dipasang sprayer otomatis yang menyala jika suhu udara di dalam rumah tanaman mencapai 31oC, suhu akan mencapai puncak maksimum pada pukul 12:00 dan sampai pukul 16:00 suhu udara lingkungan berubah-ubah sesuai dengan batas maksimum yang terdapat pada sprayer. Dari hasil pengukuran di lapangan, suhu udara tertinggi pada siang hari terjadi pada pukul 12:00 dan kembali menurun drastis setelah pukul 12:00, hal ini disebabkan karena di dalam rumah tanaman terdapat sprayer yang diatur secara otomotis menyala apabila suhu sudah mencapai 31oC. Data suhu dalam rumah tanaman pada tanggal 16 Juli 2010 terdapat pada Lampiran 1.
4.2.
Kelembaban Udara
Kelembaban udara lingkungan tertinggi terjadi pada pukul 03:00 sampai 07:00 sebesar 96% yang dapat dilihat pada Gambar 8. Dari grafik RH menunjukkan RH dari pukul 03:00 sampai 07:00 adalah konstan. Kelembaban udara terendah terjadi pada pukul 13:00 dan RH akan meningkat kembali setelah pukul 14:00 kemudian konstan pada pukul 21:00. Kelembaban udara relatif pada malam hari cenderung konstan dan pada sianghari cenderung mengalami penurunan. Ini dikarenakan pada malam hari kecepatan angin di sekitar bangunan konstan, sedangkan pada siang hari kecepatan angin berubah-ubah.
15
100 95
RH (%)
90 85 80
Hum
75 70 65 60 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Waktu setempat (WIB)
Gambar 8. Grafik kelembaban udara lingkungan rumah tanaman (16 Juli 2010). RH akan mengalami penurunan pada waktu siang hari dimana suhu udara pada siang hari meningkat, sehingga dapat dikatakan suhu dan kelembaban udara berbanding terbalik. Lippsmeier (1997) mengatakan bahwa titik jenuh akan naik dengan meningkatnya suhu sehingga menyebabkan RH menurun. Kombinasi suhu udara dan kelembaban mempunyai pengaruh yang kuat terhadap kualitas udara di dalam ruangan (Priyanto). Besarnya kelembaban udara lingkungan yang terjadi pada suatu waktu diukur dengan suatu kapasitor tipis yang terdapat pada weather station.
4.3.
Radiasi Matahari
Gambar 9 menunjukkan grafik radiasi matahari menyerupai bentuk parabola. Nilai radiasi terendah adalah 132 W/m2 pada pukul 07:00 dan nilai radiasi tertinggi adalah 741 W/m2 pada pukul 12:30. Dari grafik terlihat besar irradiasi akan mengalami kenaikan secara signifikan yang dimulai pukul 08:00. Pada pukul 14:30 besar irradiasi matahari mengalami penurunan yang signifikan. Besarnya radiasi matahari sangat dipengaruhi oleh letak lintang dari suatu daerah atau wilayah. Indonesia yang dilewati oleh garis lintang 0o atau khatulistiwa tentunya akan mendapatkan radiasi matahari lebih besar.
700 600 500
Radiasi
400 300 200 100 18:00
17:30
17:00
16:30
16:00
15:30
15:00
14:30
14:00
13:30
13:00
12:30
11:30
12:00
11:00
10:30
9:30
10:00
9:00
8:30
8:00
7:30
7:00
6:30
0 6:00
Radiasi Matahari (W/m2)
800
Waktu setempat (WIB)
Gambar 9. Grafik perubahan radiasi matahari (16 Juli 2010). 16
Besarnya energi radiasi matahari yang ditransmisikan melalui struktur permukaan rumah tanaman menyebabkan suhu di dalam rumah tanaman akan lebih tinggi dari pada suhu lingkungan (Mastalerz 1977). Intensitas cahaya harian akan meningkat secara bertahap dari 0 W/m2 pada pagi hari dan akan mencapai puncak maksimum pada siang hari. Intensitas cahaya kemudian menurun secara bertahap pada sore hari hingga kembali 0 W/m2 (Nelson 1973). Hubungan antara pengaruh besarnya radiasi matahari terhadap suhu udara terdapat pada Persamaan 1.
4.4.
Simulasi CFD
4.4.1. Penggambaran Geometri Penggambaran model simulasi rumah tanaman menggunakan software SolidWorks 2009. Model rumah tanaman dan pengkondisian keadaan sekitar bangunan kemudian disimulasikan dengan flow simulation. Rumah tanaman yang digambarkan berukuran 1220 x 624 x 514 cm dalam koordinat kartesian dengan titik (0,0,0) terletak di tengah-tengah bangunan dengan dimensi: lebar mengarah pada sumbu x, panjang mengarah pada sumbu z dan tinggi mengarah pada sumbu y. Model rumah tanaman dan computational domain dapat dilihat pada Gambar 10 dengan sumbu z sebagai arah Utara. Model rumah tanaman tampak depan beserta keterangannya dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 10. Domain dan geometri rumah tanaman tampak piktorial screen
lantai (concrete) dinding beton
Gambar 11. Rumah tanaman tampak depan dan keterangannya 17
4.4.2. Analisis Aliran dan Distribusi Suhu Udara Hasil Simulasi Analisis aliran dan distribusi suhu udara dilakukan saat budidaya tanaman tomat berumur satu bulan. Tanaman tomat diasumsikan tidak berpengaruh terhadap penambahan panas dan pergerakan pola aliran udara di dalam rumah tanaman karena tinggi tanaman tomat rata-rata 50 cm dan memiliki jumlah daun yang sedikit serta luas permukaan daun yang kecil. Pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman dilakukan 24 jam di daerah Leuwikopo yaitu tanggal 16 Juli 2010. Waktu yang digunakan untuk simulasi yaitu pukul 00:00, 07:00, 12:00, dan 17:00 karena pada waktu-waktu tersebut terjadi pergerakan suhu yang signifikan sehingga diperoleh hasil yang berbeda setiap simulasi. Screen rumah tanaman terbuat dari kasa berukuran 1,5 mm2 yang melapisi setiap screen bawah dan screen atas rumah tanaman. Komponen rumah tanaman yang digunakan sebagai input adalah atap dan lantai yang sifat-sifat bahannya dapat dilihat pada Tabel 5. Karakteristik yang juga menjadi input-an dalam simulasi CFD meliputi geometri rumah tanaman, sifat fisik udara rumah tanaman (suhu udara lingkungan, kelembaban udara lingkungan, radiasi matahari, arah dan kecepatan angin) yang terdapat pada Tabel 4. Output yang ditampilkan berupa potongan (irisan) kontur suhu dan vektor kecepatan aliran udara. Suhu dan vektor aliran udara yang ditampilkan berupa suhu udara hasil simulasi CFD pada titik tersebut. Analisis aliran dan distribusi suhu udara hasil simulasi dilakukan pada domain. Hasil yang diperoleh ditampilkan dari tampak depan dan tampak samping kanan. Tabel 4. Masukan data untuk simulasi CFD (16 Juli 2010) Masukan Suhu udara lingkungan (oC) Suhu atap (oC) Suhu lantai (oC) Kecepatan angin (m/s) Arah angin RH (%) Tipe analisis Media porus
00:00 24,38 28,69 28,10 95 eksternal
07:00 12:00 23,24 29,72 27.97 32,73 25,90 31,70 0,4 Z 96 76 eksternal internal D = 1,5 mm2
17:00 27,81 30,71 30,00 0,4 Z dan -X 81 internal
Tabel 5. Sifat-sifat bahan atap dan lantai rumah tanaman sebagai input CFD Sifat Bahan Kerapatan (ρ) Konduktivitas panas (K)
Satuan
Atap (polikarbonat)
Lantai (semen)
kg/m3 W/(m.K)
1220 0,21
2300 0,76
(Cardarelli 2000) Radiasi matahari sangat berpengaruh terhadap peningkatan suhu udara di dalam rumah tanaman. Radiasi matahari yang masuk melalui atap, diterima oleh lantai dan struktur rumah tanaman lainnya. Pada atap dan lantai terjadi pindah panas secara konveksi ke seluruh bagiannya. Atap yang terbuat dari polikarbonat menerima radiasi secara langsung, sehingga suhu atap meningkat dengan penambahan radiasi matahari. Mesh yang digunakan pada tingkatan 4 dengan ukuran gap minimum dan ketebalan dinding minimum sebesar 0,25 m.Jumlah seluruh cell yang terbentuk terdiri dari fluid cells dan solid cells serta iterasi dilakukan hingga global goals mencapai konvergen. Hasil iterasi dan jumlah cell yang terbentuk dapat dilihat pada tabel berikut. 18
Tabel 6. Hasil iterasi dan jumlah cells. Iterasi Fluid cells Solid cells Partial cells
00:00
07:00
12:00
17:00
174 49663 2632 16193
137 49663 2632 16193
293 62896 352 29206
155 62896 352 29206
Simulasi yang digunakan merupakan tipe aliran internal dan aliran eksternal. Tipe aliran internal digunakan untuk analisis simulasi yang kecepatan udaranya 0 m/s sedangkan tipe aliran eksternal digunakan untuk analisis simulasi yang memiliki kecepatan angin lebih dari 0 m/s dimana aliran udara yang masuk bisa berasal dari beberapa arah dan keluar sesuai dengan kondisi geometri rumah tanaman. Pemilihan aliran internal dan aliran eksternal dalam melakukan simulasi disesuaikan dengan type boundary condition dalam simulasi CFD yang meliputi flow opening, pressure opening, dan wall. Flow opening menyatakan arah dan besar kecepatan angin yang menjadi input, pressure opening menyatakan besarnya tekanan udara lingkungan, dan wall menyatakan besarnya suhu yang dijadikan kondisi batas seperti suhu atap dan suhu lantai. Dalam simulasi aliran eksternal ini udara masuk ke dalam daerah domain dari arah Utara (sumbu z) dan arah Timur (sumbu -x) rumah tanaman, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12 merupakan boundary condition sebelum melakukan proses running dalam simulasi CFD pada pukul 17:00 dan computational domain dengan jarak masingmasing 6 m dari bagian terluar (dinding beton).
Gambar 12. Boundary condition dalam simulasi CFD pada pukul 17:00 (16 Juli 2010)
19
4.4.3. Analisis Aliran Udara dalam Bangunan Perhitungan untuk mendapatkan kecepatan angin dari arah Timur Laut pada simulasi CFD dengan menggunakan persamaan pytagoras dapat dilihat pada Gambar 14 dan arah mata angin terhadap rumah tanaman (dilihat Gambar 13). Besaran nilai kecepatan angin divektorkan agar diketahui masukan nilai X dan Z yang akan digunakan dalam simulasi CFD. Berikut adalah data kecepatan angin yang dijadikan sebagai data input menggunakan analisis vektor. Tabel 7. Inputan data kecepatan angin (16 Juli 2010) Pukul 17:00 Pengukuran arah angin Kecepatan angin (m/s) Arah
Timur Laut -0,37 0,37 X Z
Utara
Barat
Timur Laut
Timur
Selatan
Gambar 13. Rumah tanaman tampak atas beserta arah mata angin
0.37 m/s
Gambar 14. Vektor angin. Vtimur = Vutara
= Vtimur laut cos 45o = 0,4 x 0,707 = 0,37 m/s
20
4.4.4. Hasil Simulasi CFD Hasil simulasi CFD dibagi menjadi empat waktu dalam satu hari yaitu pukul 00:00 pada Gambar 15, pukul 07:00 pada Gambar 16, pukul 12:00 pada Gambar 17 dan pukul 17:00 pada Gtambar 18. Suhu di dalam rumah tanaman selalu terlihat lebih tinggi dibandingkan suhu udara lingkungan. Perpindahan panas secara konveksi terjadi pada atap dan lantai ke udara, hal ini diperlihatkan dengan suhu udara yang lebih tinggi semakin dekat dengan atap dan lantai.
Gambar 15. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 00:00. Gambar 15 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 00:00. Suhu udara tertinggi sebesar 25,3 oC dan suhu udara terendah sebesar 24,3 oC. Penyebaran suhu udara yang lebih tinggi hampir merata di seluruh bagian dalam rumah tanaman terutama pada sekitar atap dan dinding. Hal ini disebabkan oleh atap dan dinding yang masih menyimpan panas akibat radiasi matahari pada siang hari. Besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan mempengaruhi pola aliran di bagian atas atap rumah tanaman, dimana suhu atap sebesar 28,69 oC dan suhu udara lingkungan 24,3 oC. Pergerakan aliran udara yang ditunjukkan pada Gambar 15 (bawah) bergerak lurus ke atas dan kecepatan angin yang tinggi berada di bagian atas rumah tanaman sementara data hasil pengukuran kecepatan angin di luar rumah tanaman 0 m/s. Hal ini disebabkan oleh udara mengalir dari posisi dengan suhu yang lebih tinggi yang dimiliki oleh atap ke posisi dengan suhu yang lebih rendah yaitu lingkungan di sekitar rumah tanaman yang menyebabkan perbedaan kerapatan udara. Gambar 16 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 07:00. Suhu udara tertinggi sebesar 24,2 oC berada di sekitar atap dan suhu udara terendah adalah suhu udara lingkungan sebesar 23,2 oC. Suhu yang lebih tinggi hanya terdapat di sekitar atap dan penyebaran suhu udara di dalam rumah tanaman relatif lebih seragam. Seperti halnya pada Gambar 15, pergerakan arah angin yang ditunjukkan pada Gambar 15 (bawah) bergerak lurus ke atas dan kecepatan angin yang tinggi berada di bagian atas rumah tanaman sementara data hasil pengukuran kecepatan angin di luar rumah tanaman 0 m/s. Hal ini disebabkan oleh udara mengalir dari posisi dengan suhu yang lebih tinggi yang dimiliki oleh atap ke posisi dengan suhu yang lebih rendah yaitu lingkungan di sekitar rumah tanaman yang akan menyebabkan perbedaan kerapatan 21
udara. Besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 29,97 oC dan 23,2 oC. Timbulnya pergerakan udara tanpa disebabkan oleh adanya kecepatan angin juga dapat terjadi karena perbedaan kerapatan udara yang juga akan berpengaruh terhadap besarnya suhu udara. Kerapatan udara yang rendah menyebabkan suhu udara dan kecepatan angin meningkat. Kerapatan udara yang tinggi biasanya terdapat pada ventilasi bukaan atap dan dinding rumah tanaman.
Gambar 16. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 07:00.
Gambar 17. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 12:00.
22
Gambar 17 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 12:00 atau tepat tengah hari. Besarnya kecepatan angin yang terukur adalah 0,4 m/s dari arah Utara rumah tanaman atau sumbu z dan besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 32,73oC dan 29,7oC. Suhu udara yang lebih tinggi cenderung terdapat di sekitar atap dan karena adanya pindah panas konveksi antara atap dan lantai ke udara menyebabkan suhu yang lebih tinggi menyebar merata di seluruh bagian dalam rumah tanaman. Pada rumah tanaman tampak samping, suhu yang lebih tinggi berada di sekitar atap bagian depan dan semakin ke atap bagian belakang suhu udara semakin rendah, ini karena arah angin hanya berasal dari arah depan rumah tanaman. Pada Gambar 17 (bawah) terjadinya aliran Eddy yang membuat kecepatan angin tinggi di bagian depan rumah tanaman, hal ini yang disebabkan oleh angin yang berasal dari bagian depan rumah tanaman menabrak screen yang memiliki kerapatan udara lebih yang rendah sehingga menyebabkan sebagian udara bergerak ke atas. Karena kecepatan angin di luar rumah tanaman lebih besar, maka daerah yang menjadi tempat belokan arah aliran udara memiliki kecepatan yang lebih tinggi yang dapat menyebabkan terjadinya olakan di bagian depan rumah tanaman. Pergerakan arah angin di luar rumah tanaman juga terlihat menuju ke bagian belakang yang disebabkan selain akibat adanya angin yang berasal dari satu arah, perbedaan suhu atap dan suhu udara lingkungan rumah tanaman juga mempengaruhi.
Gambar 18. Distribusi suhu udara (atas) dan vektor kecepatan aliran udara (bawah) pukul 17:00. Gambar 18 memperlihatkan distribusi suhu dan pergerakan kecepatan aliran udara pada pukul 17:00. Besarnya kecepatan angin yang terukur adalah 0,4 m/s dari arah Timur Laut rumah tanaman atau 0,37 m/s dari arah Utara (sumbu z) dan 0,37 m/s dari arah Timur (sumbu –x) yang masing-masing besarnya kecepatan angin tersebut dihitung menggunakan persaman pytagoras dan besarnya suhu atap dan suhu udara lingkungan yang terukur masing-masing adalah 30,71oC dan 27,4oC. Kenaikan suhu udara yang lebih tinggi tersebar di seluruh bagian dalam rumah tanaman yang dikarenakan adanya kecepatan angin yang berasal dari arah timur laut. Angin yang membawa suhu yang lebih dingin masuk ke dalam rumah tanaman dari arah Utara dan Timur menyebabkan suhu di sekitar ventilasi yang diberi lingkaran merah menjadi lebih rendah. Pergerakan aliran udara pada Gambar 18 (bawah) terlihat kecepatan angin yang tinggi dan tersebar merata di atas rumah tanaman karena adanya angin yang berasal dari dua arah. Pindah panas konveksi antara atap dan udara 23
lingkungan sekitar atap serta adanya angin memperlihatkan hasil yang nyata terhadap distribusi suhu udara. Perbedaan aliran dan distribusi suhu udara pada Gambar 15, 16, 17, dan 18 disebabkan karena faktor termal. Menurut Suhardiyanto (2009) ventilasi alamiah akibat faktor termal adalah pergerakan udara keluar dari dan/atau masuk ke rumah tanaman yang terjadi karena dipicu oleh adanya efek buoyansi. Efek buoyansi ini disebabkan oleh perbedaan kerapatan udara di dalam dan di luar rumah tanaman. Ventilasi akibar faktor termal menyebabkan terdapatnya suatu bidang dimana tidak terjadi aliran udara karena tekanan udara di dalam dan di luar bangunan besarnya sama yang disebut bidang tekanan netral (Yani et al. 2007). Faktor angin dan termal ini dimanfaatkan untuk menggerakkan udara dan menentukan laju ventilasi alamiah yang terjadi. Laju ventilasi diukur dengan satuan massa udara per unit waktu (Mastalerz 1977). Laju pertukaran udara dipengaruhi oleh total luas bukaan, arah bukaan, kecepatan angin dan perbedaan suhu di luar dan di dalam bangunan (Mastalerz 1977). Kisaran beda suhu udara yang terjadi di dalam dan di luar rumah tanaman tidak terlalu besar. Pola pergerakan udara dan bukaan ventilasi menentukan distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman. Udara yang masuk melalui bukaan dinding dan keluar melalui bukaan atap membantu dalam membuang panas yang dapat merugikan tanaman. Suhu udara yang semakin tinggi di dalam rumah tanaman salah satu penyebabnya adalah besarnya kecepatan angin dan dari mana arah angin berasal. Jika terdapat aliran fluida di atas permukaan benda yang dipanaskan atau didinginkan, velocity boundary layer dan thermal boundary layer akan terbentuk secara bersamaan. 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 dalam Suud 2009). Arah angin tidak berpengaruh terhadap laju pertukaran udara pada ventilasi akibar faktor termal dan angin (Bot 1982, Kittas et al. 1996 diacu Suhardiyanto 2009). Pada ventilasi akibat faktor angin, arah angin merupakan salah satu faktor yang berpengaruh (Brockett dan Albright 1987 dalam Suhardiyanto 2009).
4.5.
Validasi Suhu Udara Hasil Simulasi
Hasil penelitian menunjukkan bahwa hasil simulasi suhu udara di dalam rumah tanaman mendekati hasil pengukuran (Gambar 19). Pengukuran suhu udara di dalam rumah tanaman menggunakan 10 titik. Untuk melakukan validasi, titik-titik yang digunakan adalah yang mewakili letak titik pengukuran di dalam rumah tanaman, yaitu titik 1 (-187,5; 170; 201,7), titik 4 (187,5; 170; 201,7), dan titik 10 (0; 300; -302,5). Perbandingan suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 16 Juli 2010 dapat dilihat pada Gambar 19.
24
31 30 Titik 1 ukur
Suhu Udara (oC)
29 28
Titik 1 simulasi Titik 4 ukur
27 26 25
Titik 4 simulasi Titik 10 ukur
24 23
Titik 10 simulasi
22 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Waktu setempat (WIB)
Gambar 19. Perbandingan suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan hasil pengukuran (16 Juli 2010) Suhu udara hasil simulasi di dalam rumah tanaman cenderung lebih seragam dibanding hasil pengukuran. Perbedaan suhu udara pada setiap titik pengukuran juga dipengaruhi oleh kecepatan angin di dalam rumah tanaman. Kecepatan udara yang rendah terjadi karena angin yang masuk ke dalam rumah tanaman dihambat oleh screen yang berukuran kecil dan juga angin yang telah berada di dalam rumah tanaman terhalangi oleh bedengan dan peralatan penelitian lainnya sehingga membuat suhu udara tidak terdistribusi dengan baik. Selain itu, asumsi yang digunakan dalam simulasi tidak memperhitungkan adanya bedengan dan alat-alat penelitian di dalam rumah tanaman. Hal ini juga dapat ditunjukkan oleh nilai error yang diperoleh dari hasil perhitungan pada Lampiran 3, dimana error yang dihasilkan adalah pada pukul 00:00 sebesar 1,44%, pukul 07:00 sebesar 1,83%, pukul 12:00 sebesar 2,34% dan pukul 17:00 sebesar 1,49%. Hal ini disebabkan karena dalam menjalankan simulasi, kondisi di dalam rumah tanaman diasumsikan kosong sehingga pergerakan aliran dan distribusi suhu udara hanya dipengaruhi oleh pindah panas konveksi antara atap dan lantai ke udara tanpa dipengaruhi pindah panas konveksi oleh elemen-elemen yang ada di dalam rumah tanaman seperti bedengan hidroponik dan tangki air, serta saat proses pengkabutan berlangsung terdapat sprayer yang tersumbat sehingga ada beberapa titik yang tidak terkena proses pengkabutan tersebut.
25
32
y=x
31
Hasil Simulasi (oC)
30 29
y = 0,923x + 1,914 R² = 0,940
28 27 26 25 24 23 22 22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Hasil Pengukuran (oC)
Gambar 20. Hubungan linier antara suhu udara di dalam rumah tanaman hasil simulasi dengan pengukuran (16 Juli 2010) Pengujian keakuratan hasil simulasi dapat dilakukan dengan analisis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu udara hasil pengukuran dan hasil simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 20. Berdasarkan hasil regresi, diperoleh nilai a adalah 0,923 dan nilai b adalah 1,914 dari persamaan y=ax+b, sehingga dapat diketahui bahwa model pindah panas tersebut valid dan dapat digunakan untuk memprediksi suhu udara di dalam rumah tanaman. Hal ini dapat dibuktikan dengan nilai dari a adalah mendekati 1 dan nilai dari b adalah mendekati 0. Nilai regresi R2 adalah 0,940 dimana nilai ini mendekati 1 yang menunjukkan keragaman data.
4.6.
Modifikasi Kemiringan Atap Rumah Tanaman
Tujuan modifikasi ini adalah untuk mendapatkan desain rumah tanaman dengan suhu udara yang lebih baik bagi pertumbuhan tanaman. Modifikasi desain rumah tanaman dilakukan dengan mengubah kemiringan atap tanpa mengubah luas bukaan ventilasi rumah tanaman pada dinding samping. Perubahan kemiringan atap ini diikuti dengan perubahan terhadap luas bukaan ventilasi atap, ketinggian bubungan dan ketinggian rumah tanaman. Perubahan kemiringan atap jugaakan berpengaruh pada pergerakan udara di dalam rumah tanaman. Menurut Suhardiyanto (2009), bentuk atap standard peak dengan kemiringan sudut atap 25o 35o tergolong optimal dalam mentransmisikan radiasi matahari. Kemiringan atap yang disarankan adalah berkisar 27o - 30o. Penentuan sudut kemiringan atap yang optimal perlu mempertimbangkan radiasi matahari dan kecepatan angin di luar rumah tanaman (Sumarni 2007 diacu Suhardiyanto 2009). Data input dan pengaturan yang dimasukkan dalam simulasi rumah tanaman modifikasi sama dengan yang digunakan pada simulasi rumah tanaman awal. Hal ini berarti keadaan simulasi rumah 26
tanaman modifikasi sama dengan keadaan rumah tanaman awal, yaitu saat pukul 00:00, 07:00, 12:00, dan 17:00 pada tanggal 16 Juli 2010. Aliran udara di dalam rumah tanaman sangat dipengaruhi oleh rancangannya. Perubahan kemiringan atap akan menentukan besarnya udara yang masuk melalui bukaan dinding. Kecepatan udara yang masuk melalui bukaan ventilasi dinding dan atap memiliki kecepatan yang sangat kecil yang disebabkan oleh ukuran screen yang kecil sehingga vektor kecepatan angin di dalam rumah tanaman tidak dapat didefinisikan. Pola aliran dan distribusi suhu udara yang telah dimodifikasi dapat dilihat pada Gambar 21 dan Gambar 22. Hasil modifikasi kemiringan atap rumah tanaman tanpa adanya kecepatan angin menunjukkan bahwa udara akan terjebak di bagian atap yang akan menyebabkan suhu disekitar atap meningkat. Semakin curam kemiringan atap rumah tanaman, maka udara yang terjebak di sekitar atap juga semakin meningkat yang diperlihatkan pada Gambar 21a, 21b dan Gambar 22a, 22b. Hal ini juga akan berpengaruh pada pergerakan udara dalam rumah tanaman. Pengaruh besarnya kemiringan atap dengan adanya kecepatan angin juga dapat dilihat pada Gambar 21c, 21d dan Gambar 22c, 22d. Udara yang masuk dari arah depan mengakibatkan terjadinya olakan di bagian tengah rumah tanaman karena udara bergerak dari sekitar lantai menuju ke bagian atas dan bertabrakan dengan udara yang berasal dari depan rumah tanaman (Gambar 21c dan Gambar 22c). Modifikasi kemiringan atap dengan angin yang berasal dari dua arah menampilkan aliran udara yang baik (Gambar 21d dan Gambar 22d). Distribusi suhu udara di dalam rumah tanaman sangat dipengaruhi oleh aliran udara. Kecepatan angin yang rendah di dalam rumah tanaman pada malam dan pagi hari menyebabkan suhu udara meningkat. Terjadinya olakan udara di dalam rumah tanaman pada sore hari menyebabkan udara terdistribusi merata. Suhu udara cenderung lebih tinggi bila semakin dekat dengan lantai. Udara yang masuk melaui bukaan dinding membawa udara dingin dan dari bukaan atap udara panas keluar dari rumah tanaman. Pada Gambar 21 dan Gambar 22 dapat dilihat distribusi suhu udara pada rumah tanaman yang telah dimodifikasi kemiringan atapnya. Perubahan kemiringan atap menyebabkan perubahan ketinggian pada bubungan rumah tanaman. Modifikasi kemiringan atap menghasilkan distribusi suhu udara yang hampir sama. Semakin curam kemiringan atap, penyebaran suhu udara yang lebih panas semakin merata di dalam rumah tanaman. Tingginya suhu udara di dalam rumah tanaman tergantung pada kecepatan udara yang memasuki rumah tanaman cukup rendah dan bahan atap yang cenderung menyimpan panas. Apabila kecepatan angin yang bergerak di dalam bubungan rumah tanaman kecil, maka suhu udara yang lebih tinggi di bagian atap tidak dapat keluar melalui bukaan ventilasi atap. Suhu udara yang keluar melalui bukaan atap disebabkan oleh kerapatan udara yang rendah di sekitar ventilasi atap rumah tanaman. Perbedaan aliran dan distribusi suhu udara pada rumah tanaman yang ditunjukkan pada Gambar 21 dan Gambar 22 ditentukan oleh ada atau tidaknya kecepatan angin di sekitar rumah tanaman. Hasil simulasi rumah tanaman awal dapat dikatakan baik sehingga input yang digunakan dipakai untuk melakukan simulasi rumah tanaman dengan memodifikasi kemiringan atap. Perubahan kemiringan atap tersebut dibuat dalam bentuk geometri pada software SolidWorks 2009. Perbandingan hasil simulasi distribusi suhu udara pada rumah tanaman awal (kemiringan atap 15o) dan rumah tanaman dengan modifikasi kemiringan atap menjadi 30 o dan 45o menunjukkan bahwa rumah tanaman dengan suhu udara yang optimal dan distribusi aliran udara yang hampir seragam adalah rumah tanaman dengan kemiringan atap 30o.
27
(a)
(b)
(c)
(d) Gambar 21. Distribusi suhu udara dan vektor kecepatan aliran udara pada posisi z = 0 (kiri) dan x = 0 (kanan) dengan modifikasi atap 30o, (a) pukul 00:00, (b) pukul 07:00, (c) pukul 12:00, dan (d) pukul 17:00.
28
(a)
(b)
(c)
` (d) Gambar 22. Distribusi suhu udara dan vektor kecepatan aliran udara pada posisi z = 0 (kiri) dan x = 0 (kanan) dengan modifikasi atap 45o, (a) pukul 00:00,(b) pukul 07:00, (c) pukul 12:00, dan (d) pukul 17:00.
29
