SIMULASI DISTRIBUSI SUHU MEDIA TANAM DALAM POLYBAG PADA HIDROPONIK SUBSTRAT UNTUK PRODUKSI BENIH KENTANG DENGAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
INA RAHMAWATI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Distribusi Suhu Media Tanam dalam Polybag pada hidroponik Substrat untuk Produksi Benih Kentang dengan Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Februari 2014 Ina Rahmawati F14090011
ABSTRAK INA RAHMAWATI. Simulasi Distribusi Suhu Media Tanam dalam Polybag pada Hidroponik Substrat untuk Produksi Benih Kentang dengan Computational Fluid Dynamic (CFD). Dibimbing oleh HERRY SUHARDIYANTO. Budidaya kentang yang pada umumnya dilakukan pada daerah dataran tinggi dan jarang dilakukan pada daerah dataran rendah menghadapi masalah erosi lahan dan banyaknya penyakit. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian yang mengkaji kemungkinan produksi benih kentang di dataran rendah. Dataran rendah cenderung memiliki suhu yang lebih tinggi dibandingkan dengan suhu optimum untuk budidaya kentang. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui distribusi suhu media tanam dalam polybag setelah diberi larutan nutrisi yang didinginkan 10 ºC dengan Computational Fluid Dynamic (CFD) di daerah dataran rendah. Selanjutnya hasil simulasi divalidasi dengan hasil pengukuran, menggunakan metode regresi linier dan persentase error. Hasil penelitian menunjukkan bahwa distribusi suhu media tanam yang diberi larutan nutrisi 10 ºC dapat mempertahankan suhu media tetap rendah. Hasil validasi memperlihatkan bahwa hasil simulasi menggunakan CFD mendekati nilai suhu pengukuran pada media di dalam polybag. Kata kunci: Budidaya kentang, CFD, sistem hidroponik substrat
ABSTRACT INA RAHMAWATI. Simulation of Temperature Distribution of Growing Media in a Polybag of Hydroponic Substrate for Production of Seed Potatoes with Computational Fluid Dynamic (CFD). Supervised by HERRY SUHARDIYANTO Potato cultivation is often carried out on the highland areas and it is rarely done on the lowland areas are facing the problem of land erosion and widespread disease. Therefore, it is necessary to study which examines the possibility of seed potato production in the lowlands. The lowlands tend to have higher temperatures compared with the optimum temperature for the cultivation of potatoes. The aim of this research is to know the distribution of temperature in a polybag planting media after being given a nutrient solution that is cooled 10 ºC with Computational Fluid Dynamic (CFD) in lowland areas. Further simulations validated with measurements, using linear regression method and percentage error. The results showed that the distribution of the planting medium temperatures given nutrient solution 10 ºC can maintain the temperature of the media remain low. The results showed that the results of validation simulations using CFD approach the value of temperature measurement on media in polybag. Keywords: Potato cultivation, CFD, substrate hydroponic system
SIMULASI DISTRIBUSI SUHU MEDIA TANAM DALAM POLYBAG PADA HIDROPONIK SUBSTRAT UNTUK PRODUKSI BENIH KENTANG DENGAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
INA RAHMAWATI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Simulasi Distribusi Suhu Media Tanam dalam Polybag pada Hidroponik Substrat untuk Produksi Benih Kentang dengan Computational Fluid Dynamic (CFD). Nama : Ina Rahmawati NIM : F14090011
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen
Tanggal lulus:
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah S.W.T yang telah memberikan rahmat serta hidayahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul Simulasi Distribusi Suhu Media Tanam dalam Polybag pada hidroponik Substrat untuk Produksi Benih Kentang dengan Computational Fluid Dynamic (CFD). Terima kasih penulis ucapkan kepada Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto, MSc selaku pembimbing. Penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Ahmad dari Laboratorium LBP, Bapak Darma dan Mas Firman dari Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, kak Agus Ghautsun N yang telah membantu penulis dalam penyelesaian simulasi, Nurul Choerunnisa, Drupadi Ciptaningtyas, Achmad Muzakir, Warto, Rina Oktaviana, Nurul Rizqiyyah, Riska Dwi W, Ledyta Hindiani, Ni Wayan Desi P, Caesar Riyadho, Ngudi Aji, Endah Prahmawati, Abdul Rouf, Toni Dwi N, Teguh Kurniawan, Weni A dari TEP 46 yang meluangkan waktunya untuk membantu penulis dalam pengambilan data, serta teman-teman Ginastri, Risa Sawitri, Fajar Naimah, Anggi Widyasari, Nurayu Anisa, Aulia Anggraini yang selalu memberi dukungan dan semangat untuk menyelesaikan skripsi ini. Semoga Allah S.W.T membalas segala kebaikan kalian.Ungkapan terimakasih disampaikan kepada orang tua KH. Drs. Mudatsir AM dan Salimatul Fuad, Affan Rasyid Ridha dan Keluarga besar Bani Habib atas dukungan, doa dan kasih sayangnya kepada penulis. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat. Amin
Bogor, Februari 2014 Ina Rahmawati
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian TINJAUAN PUSTAKA Kentang Hidroponik Substrat sebagai Metode Budidaya Pindah Panas Computational Fluid Dynamic (CFD) METODE Lokasi dan Waktu Penelitian Bahan dan Alat Prosedur Pengambilan dan Analisis Data Simulasi distribusi suhu dengan CFD Validasi Hasil Simulasi HASIL DAN PEMBAHASAN Suhu Udara di dalam Rumah Tanaman Suhu Media Tanam dalam Polybag Distribusi Suhu Media Tanam di dalam Polybag Validasi SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP
vi vi vi 1 1 2 2 2 2 2 3 4 4 4 4 6 9 10 10 11 12 15 16 16 16 17 18 20
DAFTAR TABEL 1 Sifat fisik matrial polybag 2 Data Input Simulasi CFD (10 September 2013)
8 13
DAFTAR GAMBAR
1 2 3 4 5
Skema titik pengukuran Skema pindah panas yang terjadi dari lingkungan ke media tanam Skema tahapan simulasi menggunakan CFD Geometri polybag Perubahan radiasi matahari dan suhu udara pada kondisi cerah (10 September 2013) 6 Perubahan suhu lantai rumah tanaman pada kondisi cuaca cerah (10 September 2013) 7 Perubahan suhu media tanam dalam polybag setelah pendinginan (10 September 2013) 8 Distribusi suhu media tanam pukul 06.30 WIB, (a) Tampak depan (b) Tampak atas 20 cm dari dasar (10 September 2013) 9 Distribusi suhu media tanam pada pukul 13.00 WIB, (a) Tampak depan (b) Tampak atas 20 cm dari dasar (10 September 2013) 10 Distribusi suhu media tanam dengan air tanpa pendinginan, (a) Pukul 06.30 WIB (b) Pukul 13.00 WIB 11 Grafik validasi suhu media hasil simulasi terhadap suhu hasil pengukuran
5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3
Tabel sebaran suhu media dalam polybag Perhitungan error hasil simulasi Gambar orthogonal polybag
18 18 19
DAFTAR SIMBOL ̇ ̇ ̇ ̇ ⁄ ̇ T A Cp h k
U
laju perpindahan panas secara konduksi (W) laju perpindahan panas secara konveksi (W) laju perpindahan panas secara radiasi (W) laju perpindahan panas (W) perubahan suhu diantara dua permukaan (°C) perbedaan suhu menyeluruh (°C) laju aliran massa (kg s-1) suhu (°C) luas penampang benda yang tegak lurus terhadap aliran panas (m2) kalor jenis (J kg-1 oC-1) koefisien pindah panas konveksi (W m-2 °C-1) konduktivitas termal (W m-1 °C-1) emisivitas permukaan bahan konstanta Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10-8 (W m-2 K-4) massa jenis fluida (kg/m3) overall heat transfer coefficient (W m-2) tebal (m)
PENDAHULUAN Latar Belakang Budidaya kentang pada umumnya dilakukan di dataran tinggi yang dapat mengakibatkan erosi yang berlebihan. Lahan dataran tinggi dengan suhu yang sesuai untuk budidaya kentang sangat terbatas. Selain itu, budidaya kentang yang intensif di dataran tinggi tertentu menyebabkan terjadinya akumulasi penyakit yang tersimpan dalam tanah sehingga dapat menular pada umbi yang akan dijadikan sebagai benih. Oleh karena itu, budidaya kentang perlu juga dilakukan di dataran rendah. Dengan tingginya permintaan akan komoditas kentang maka diperlukan peningkatan produksi benih kentang. Dataran rendah di Indonesia pada umumnya memiliki suhu udara rata-rata 28 oC - 34 oC pada siang hari dan 24 oC - 26 oC. Hal tersebut menjadi masalah dalam budidaya kentang karena suhu udara yang optimal untuk tanaman kentang adalah 24 oC - 30 oC pada siang hari dan 15 oC - 18 oC pada malam hari (Setiadi et al 1993). Pada sistem hidroponik, metode pendinginan dengan larutan nutrisi dapat menjadi salah satu solusi untuk masalah tersebut. Pendinginan larutan nutrisi bertujuan untuk menjaga suhu daerah perakaran tanaman cukup rendah walaupun suhu udara siang tinggi (Suhardiyanto 2009). Budidaya tanaman secara hidroponik sudah semakin berkembang. Budidaya secara hidroponik dianggap lebih menguntungkan karena tidak memerlukan lahan yang luas dan dapat dilakukan dimana saja. Salah satu sistem hidroponik yang banyak dijumpai di Indonesia adalah sistem hidroponik substrat. Sistem hidroponik substrat tidak menggunakan air sebagai media, tetapi menggunakan media padat selain tanah yang dapat menyerap larutan nutrisi lalu melepaskannya bagi tanaman, namun mempunyai ruang untuk udara sehingga tanaman dapat menyerap oksigen serta dapat mendukung pertumbuhan akar tanaman. Media tanam harus memenuhi syarat tersebut karena merupakan tempat tumbuh kembang akar. Dalam hidroponik substrat, arang sekam merupakan media yang sering digunakan. Arang sekam merupakan hasil sampingan dari penggilingan padi, sehingga sangatlah mudah mendapatkan arang sekam di Indonesia. Arang sekam sangat baik untuk digunakan sebagai media tanam karena nilai porositasnya yang tinggi yaitu mencapai 46% yang artinya dalam setiap 1000 ml arang sekam, terdapat 46 ml ruang kosong yang dapat diisi oleh fluida dan memungkinkan arang sekam menyimpan air dan udara yang cukup untuk akar tanaman (Ciptaningtyas 2011). Suhu daerah perakaran merupakan faktor penting yang harus diperhatikan dalam pertumbuhan tanaman karena berpengaruh nyata terhadap pengendalian lingkungan. Oleh karena itu, diperlukan pengetahuan terhadap pola distribusi suhu media tanam. Untuk mengetahui pola distribusi suhu maka diperlukan simulasi dengan menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD). Hasil simulasi tersebut dapat digunakan sebagai acuan untuk menjaga agar daerah perakaran tidak terlalu tinggi.
2 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan simulasi pola distribusi suhu media tanam dalam polybag pada sistem hidroponik substrat dengan menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD).
TINJAUAN PUSTAKA Kentang Kentang (Solanum toberosum L.) merupakan tanaman hortikultura yang termasuk dalam kelompok sayur mayur. Kultivar kentang yang sering ditanam adalah Granola. Kentang kultivar Granola dibudidayakan di daratan tinggi dengan suhu ideal 15 oC - 18 oC pada malam hari, dan 24 oC - 30 oC pada siang hari. Ketinggian lokasi yang ideal untuk tanaman kentang adalah 1000 m - 1300 m di atas permukaan laut. Tetapi kentang juga hidup di daerah yang mempunyai ketinggian 500 m - 3000 m.
Hidroponik Substrat sebagai Metode Budidaya Istilah hidroponik digunakan untuk menjelaskan tentang bercocok tanam tanpa media tanah. Terdapat beberapa macam jenis hidroponik salah satunya adalah hidroponik substrat. Hidroponik substrat adalah budidaya tanaman tidak menggunakan air sebagai media, tetapi menggunakan media padat bukan tanah yang dapat menyerap larutan nutrisi lalu melepaskannya bagi tanaman, namun mempunyai ruang untuk udara sehingga tanaman dapat menyerap oksigen serta dapat mendukung pertumbuhan akar tanaman. Pemberian nutrisi pada sistem ini biasanya menggunakan irigasi tetes.
Pindah Panas Perpindahan panas dapat difenisikan sebagai berpindahnya energi dari satu tempat ke tempat yang lain karena adanya perbedaan suhu. Proses perpindahan energi panas terjadi melalui tiga cara yaitu : Konduksi Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas atau cairan, atau diantara objek yang sama yang bersentuhan langsung. Panas dipindahkan secara konduksi dari molekul yang mempunyai energi panas tinggi ke molekul yang mempunyai energi panas rendah (Mastalerz 1977). Besarnya laju aliran aliran panas dengan cara konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan Hukum Fourier : ̇
-
(1)
3 Konveksi Konveksi adalah perpindahan massa dari gas atau cairan yang suhunya lebih tinggi ke suatu area yang suhunya lebih rendah. Pergerakan udara panas di seluruh bagian rumah tanaman terjadi karena konveksi (Mastalerz 1977). Laju perpindahan panas konveksi dapat dihitung berdasarkan Hukum Newton : ̇
( -
)
(2)
Radiasi Radiasi adalah perpindahan panas yang melewati suatu tempat dalam bentuk energi radiasi panas (Mastalerz 1977). Laju aliran panas suatu benda dengan cara radiasi dihitung berdasarkan Hukum Stefan-Boltzmann : ̇
(3)
Computational Fluid Dynamic (CFD) Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (Tuakia 2008). Terdapat tiga tahapan yang perlu dilakukan dalam simulasi menggunakan CFD, yaitu: Preprocessing Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Langkah-langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Membentuk geometri (computational domain) dua dimensi atau tiga dimensi. 2. Membentuk geometri menjadi sejumlah bagian yang lebih kecil (grid). Grid merupakan bagian yang akan dicari solusinya karena tingkat keakuratan hasil CFD didasarkan pada jumlah grid yang dibentuk. 3. Mendefinisikan fenomena-fenomena yang terjadi (fisik dan kimia) yang digunakan untuk pemodelan. 4. Medefinisikan karakteristik fluida. 5. Mendefinisikan kondisi batas (boundary condition) pada model geometri. Solving Solver digunakan untuk memecahkan persamaan model aliran fluida (persamaan momentum, energi, dan massa) yang menggunakan analisis numerik dengan metode beda hingga atau volume hingga. Tahapan yang dilakukan dalam mencari solusi pada CFD, meliputi: 1. Memperkirakan variable aliran yang tidak diketahui menggunakan fungsi sederhana.
4 2. Melakukan diskritasi hasil perkiraan tersebut dengan mensubtitusi ke dalam persamaan aliran fluida tersebut dan memanipulasi secara matematis. 3. Membuat solusi dengan persamaan aljabar Post Processor Post processor merupakan tahapan terakhir dalam pemrosesan CFD. Tahap ini menampilkan semua hasil pengolahan pada pre-processor dan solver. Hasil analisis disajikan dengan visualisasi warna yang meliputi: 1. Hasil dari geometri dan grid yang telah dibentuk. 2. Plot berdasarkan vektor. 3. Plot berdasarkan kontur. 4. Plot berdasarkan permukaan (dua dimensi atau tiga dimensi)
METODE Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di rumah tanaman (greenhouse) tipe modified standard peak Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Lokasi penelitian berada di dataran rendah dengan ketinggian 250 dpl. Penelitian dilakukan pada bulan Juni - Desember 2013.
Bahan dan Alat Bahan dan alat yang digunakan adalah arang sekam sebagai media tanam dalam polybag, tanaman kentang varietas Granola, air sebagai pengganti larutan nutrisi, sistem pendinginan larutan nutrisi, sistem irigasi tetes, dan instrumen pengukuran. Sistem pendinginan larutan nutrisi meliputi pendingin Elitech tipe STC 8080H dan pompa celup Wasser tipe WD 101 dengan kapasitas maksimal 70 liter menit-1 dan total head 6 m. Sistem irigasi tetes meliputi bak penampung larutan nutrisi, pompa listrik Panasonic GA 130JAK (kapasitas 32 liter menit-1, daya hisap 9 m, daya dorong 18 meter, dan daya listrik 125 W), pipa utama dari PVC ukuran ¾ inch, pipa lateral, dan emitter. Alat ukur yang digunakan adalah termometer bola basah bola kering, termokopel dan hybrid recorder Yokogawa tipe MV Advance 1000, weather station Vantage Pro 2.
Prosedur Pengambilan dan Analisis Data Persiapan Penelitian Persiapan penelitian meliputi kegiatan pembersihan rumah tanaman, pembuatan instalasi sistem hidroponik substrat, persiapan peralatan pengukuran, dan penyediaan bahan yang digunakan.
5 Pendinginan Daerah Perakaran Air yang digunakan sebagai pengganti larutan nutrisi didinginkan dengan mesin pendingin sehingga mencapai suhu 10 oC. Air yang telah didinginkan lalu dialirkan ke media tanam melalui sistem irigasi tetes. Media tanam yang digunakan adalah arang sekam untuk tumbuh kembang tanaman kentang. Polybag yang digunakan berukuran 40 x 20 x 0.5 cm. Pengamatan dan pengukuran Pengamatan dilakukan mulai pukul 06.00 wib sampai dengan pukul 17.00 WIB selama lima hari. Parameter yang diukur adalah meliputi suhu arang sekam dalam polybag, dan suhu udara di dalam greenhouse. Pengukuran suhu sekam dilakukan pada sembilan titik di dalam polybag seperti terlihat pada Gambar 1.
40
5
5
20
Gambar 1 Skema titik pengukuran
Pencatatan data suhu dilakukan pada masing-masing polybag menggunakan hybrid recorder yang dihubungkan pada titik pengukuran dengan mengunakan thermocouple setiap 30 menit selama lima hari. Analisis pindah panas yang terjadi pada sistem selama pengukuran meliputi pindah panas secara konveksi dari fluida ke arang sekam, secara konduksi antara polybag dengan arang sekam, dan antar sekam. Skema pindah panas yang terjadi dari lingkungan ke arang sekam dapat dilihat pada Gambar 2.
6 Tudara
Tudara Tmedia
Qpolybag
Tlantai
Qpolybag
Qlantai + Qpolybag
Gambar 2 Skema pindah panas yang terjadi dari lingkungan ke media tanam
Untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada polybag, digunakan rumus berdasarkan pindah panas konveksi dan konduksi yang terjadi dari udara ke arang sekam melewati polybag dan pindah panas secara konveksi dan konduksi dari lantai ke arang sekam melewati polybag. Adapun persamaan yang digunakan sebagai berikut (Ciptaningtyas 2011): Bagian bawah polybag: (4) Bagian kiri dan kanan polybag: (5) Panas yang disimpan oleh air selama mengalir dapat dinyatakan dengan persamaan: Q = ̇ Cp T
(6)
Simulasi distribusi suhu dengan CFD Simulasi distribusi suhu media tanam dalam polybag dilakukan setelah pengambilan data lapang. Selanjutnya, dilakukan simulasi berdasarkan data yang diperoleh di lapangan. Pembuatan geometri polybag dan simulasi distribusi suhu media tanam dilakukan menggunakan software SolidWorks 2011. Asumsi yang digunakan pada simulasi tersebut adalah sebagai berikut: 1. Udara bergerak dalam keadaan steady 2. Suhu udara di dalam lingkungan rumah tanaman dianggap seragam. 3. Suhu luar polybag sama dengan suhu udara di dalam rumah tanaman. 4. Suhu dinding polybag sama dengan suhu lantai. 5. Arang sekam diasumsikan sebagai porous medium.
7 6. Suhu larutan nutrisi yang dialirkan dianggap konstan yaitu 10 °C. 7. Sifat termal akar sama dengan sifat termal arang sekam. Simulasi distribusi suhu media dalam polybag dilakukan untuk pukul 06.00 WIB dan pukul 13.00 WIB pada kondisi cuaca cerah dengan suhu larutan nutrisi yang dialirkan 10 °C. Langkah-langkah dalam proses simulasi distribusi suhu media tanam dalam polybag menggunakan program CFD SolidWorks adalah sebagai berikut (Gambar 3): Mulai
Pembuatan Geometri dan meshing
Pendefinisian material
Pengecekan geometri
Geometri baik? Tidak Pengecekan
Ya Penentuan general setting
Penentuan computational domain, boundary condition,dan goals
Proses numerik (solver)
Iterasi eror? Ya Tidak Plot kontur sebaran suhu
Gambar 3 Skema tahapan simulasi menggunakan CFD
Selesai
8 1.
Pembuatan geometri Ukuran model polybag yang dibuat untuk polybag yang digunakan adalah silinder dengan diameter 20 cm dan tinggi 40 cm. Ukuran tersebut terbentuk dari plastik polybag yang digunakan dalam penelitian ini. Berikut ditampilkan geometri polybag pada Gambar 4.
Gambar 4 Geometri polybag
Pendefinisian material Material media tanam yaitu arang sekam didefinisikan sebagai porous medium yang berarti benda tersebut tidak dianggap sebagai benda solid, melainkan dianggap sebagai fluida yang memiliki nilai air flow resistance (Ciptaningtyas 2011). Dalam prosedur simulasi pada database engineering dimasukkan nilai karakteristik fisik dan termal dari arang sekam. Material polybag didefinisikan sebagai solid dan bahan dari polybag adalah polyethylene low density. Kemudian permukaan luar polybag didefinisikan sebagai real wall dan diberi nilai suhu dinding dari hasil pengukuran. 2.
Tabel 1 Sifat fisik matrial polybag Sifat Fisik Bahan Satuan Kerapatan Kg/m3 Panas Jenis J/kg.C Konduktivitas Panas W/m.C Tipe Konduktivitas Melting Temperature C 1 Sumber: Engineering Database Solidworks (2011)
PE Low Density1 917 1842 0.322 Isotropik 573
9 3.
Penentuan General Setting Setelah pendefinisian material selesai, tahap selanjutnya adalah penentuan general setting. Pada tahap ini dimasukkan nilai-nilai dari parameter lingkungan yang mempengaruhi simulasi, seperti suhu udara di dalam rumah tanaman serta nilai dari material solid yang telah didefinisikan. Fluida yang disimulasikan adalah udara dan air. Kemudian ditentukan tingkat resolusi mesh yang akan digunakan untuk simulasi. Pada simulasi ini ditentukan nilai tingkat resolusi mesh adalah lima. 4.
Penentuan Computational Domain Domain dibuat untuk daerah batasan luar dari model yang dianalisi. Pada simulasi ini computational domain dibuat jarak 1 m x 1 m x 1 m dari objek yang disimulasikan. Pada domain tersebut diasumsikan tidak ada benda disekitar yang dapat mempengaruhi simulasi. Walaupun pada kenyataannya terdapat chamber aeroponik dan benda lainnya di sekitar polybag. 5.
Penentuan Kondisi Batas Boundary condition dari polybag adalah seluruh permukaan luar polybag yang didefinisikan sebagai real wall. Keberadaan air diasumsikan sebagai nilai inlet mass flow yang berada di dalam media tanam arang sekam. Penentuan Goals Pada langkah ini, hasil akhir yang dipilih adalah global goal: average temperature of fluid, dan average density. 6.
Menjalankan Run Running dapat berjalan apabila semua langkah-langkah di atas sudah dilakukan, sehingga hasil simulasi yang konvergen diperoleh. 7.
8.
Post processor Pada tahap ini dilakukan interpretasi hasil simulasi CFD dan selanjutnya disajikan visualisasi berupa gambar kontur, vektor, arah aliran, animasi dari perhitungan mesh, dan lain-lain. Tampilan tersebut merupakan hasil akhir simulasi.
Validasi Hasil Simulasi Validasi model dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi menggunakan CFD dengan hasil pengukuran di lapangan. Keakuratan hasil simulasi dengan hasil pengukuran dinyatakan dengan persentase error (Percentage of Deviation). Persamaan Average Percentage of Deviation (APD) yang digunakan adalah sebagai berikut (Riskawati 2012): APD = |
|
(7)
10 Pengujian keakuratan hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dapat pula dinyatakan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu hasil pengukuran (x) dengan hasil simulasi (y). Persamaan linier yang terbentuk adalah sebagai berikut: (8) Dimana (a) merupakan kemiringan atau gradien garis regresi dan (b) menyatakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak. Prediksi distribusi suhu daerah perakaran hasil simulasi dikatakan baik jika persamaan regresi tersebut memiliki intersep mendekati nol dan gradiennya mendekati satu.
HASIL DAN PEMBAHASAN Suhu Udara di dalam Rumah Tanaman
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Radiasi Matahari (Wm-2)
38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
Suhu (ºC)
Pengambilan data dilakukan pada tanggal 10 September hingga 14 September 2013 mulai pukul 06.00 - 17.00 WIB pada saat cuaca cerah. Data yang diambil sebagai masukan untuk simulasi adalah data pada tanggal 10 September 2013 pada pukul 06.30 dan 13.00 WIB. Gambar 5 menunjukkan bahwa suhu udara tertinggi terjadi pada pukul 13.00 WIB yaitu sekitar 34.9°C. Di dalam rumah tanaman terjadi greenhouse effect radiasi matahari gelombang pendek berubah menjadi gelombang panjang di dalam rumah tanaman dan terperangkap di dalamnya. Sehingga menyebabkan suhu udara di dalam rumah tanaman meningkat.
Waktu (WIB) SUHU
RADIASI MATAHARI
Gambar 5 Perubahan radiasi matahari dan suhu udara pada kondisi cerah (10 September 2013)
11
Selain suhu udara dalam rumah tanaman, suhu lantai juga berpengaruh terhadap distribusi suhu media tanam. Terjadi pindah panas secara konveksi dan konduksi dari lantai ke arang sekam melewati polybag. Oleh karena itu, dilakukan pengukuran suhu lantai. Gambar 6 menunjukkan bahwa suhu tertinggi lantai mencapai 46 ºC.
Suhu (ºC)
50 45 40 35 30 25 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
20
Waktu (WIB) Suhu Lantai
Gambar 6 Perubahan suhu lantai rumah tanaman pada kondisi cuaca cerah (10 September 2013)
Suhu Media Tanam dalam Polybag Suhu media tanam sangat perlu dijaga karena berhubungan dengan suhu lingkungan akar suatu tanaman. Untuk penelitian ini tanaman yang digunakan adalah kentang. Menurut Samadi (1997), suhu tanah optimal bagi pertumbuhan umbi berkisar antara 10 ºC sampai 30 oC. Smith dalam Sutater et al. (1987) juga menyatakan bahwa suhu tanah kurang dari 15 oC dapat menyebabkan rendahnya kandungan pati dalam umbi. Oleh karena itu, untuk mencapai suhu daerah perakaran yang optimum bagi tanaman kentang, dilakukan pendinginan larutan terlebih dahulu dengan menggunakan chiller sebelum dialirkan ke media tanam. Suhu air sebagai pengganti larutan nutrisi yang digunakan dalam penelitian ini adalah 10 oC. Hal ini berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Sumarni et al (2013) yang menyatakan bahwa pemberian perlakuan pendinginan 10 oC dapat menjaga suhu udara di daerah perakaran agar tetap dingin meskipun suhu udara dalam rumah tanaman tinggi. Berikut ini ditampilkan grafik perubahan suhu pada media tanam dalam polybag (Gambar 7).
28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
Suhu (ºC)
12
Waktu (WIB) Suhu Rata-rata
Gambar 7 Perubahan suhu media tanam dalam polybag setelah pendinginan (10 September 2013)
Menurut Fitter dan Hay (1981), tidak mudah untuk menetapkan secara tepat hubungan antara proses-proses pada tanaman dan suhu lingkungan karena adanya variabilitas yang ekstrem dari suhu udara dan tanah atau larutan nutrisi. Suhu akar tergantung kepada waktu, bulan, kedalaman di bawah permukaan tanah, sifat tanah yang menentukan absorpsi dan transmisi panas. Dalam hal ini, kondisi suhu udara di dalam rumah tanaman cenderung tinggi, akan sangat mempengaruhi distribusi suhu dalam media tanam. Berdasarkan hasil perubahan suhu media tanam setelah dialiri air dengan suhu 10 ºC, diketahui adanya pengaruh terhadap suhu rata-rata di dalam media tanam. Dari Gambar 7 terlihat bahwa suhu media tanam yang dialiri air dengan suhu 10 ºC pada siang hari pukul 13.00 WIB bervariasi antara sekitar 25 oC - 27 oC.
Distribusi Suhu Media Tanam di dalam Polybag Analisis distribusi suhu media tanam di dalam polybag dilakukan dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Untuk memperoleh hasil yang baik diperlukan pendefinisian tepat dalam menentukan input dan ouput model simulasi. Data input diperoleh melalui data lapangan yang telah diolah. Untuk output dapat dipilih pada saat melakukan simulasi. Berikut adalah contoh data input yang digunakan dalam simulasi menggunakan CFD.
13
Tabel 2 Data Input Simulasi CFD (10 September 2013) Waktu
Input Suhu udara di dalam Rumah Tanaman (°C) Suhu larutan nutrisi (°C) Nilai mass flow (kg/s) Suhu permukaan polybag (°C) Radiasi matahari di dalam Rumah Tanaman (W/m2)
06:30 22.1 10 0.000598 26.2 17
13:00 35.2 10 0.000598 45.1 250
Setelah dilakukan proses running, diperoleh hasil gambar berupa kontur distribusi suhu yang dibedakan oleh beberapa warna. Perbedaan warna yang ditampilkan berdasarkan perubahan suhu di setiap area di dalam media tanam. Hasil simulasi CFD dapat dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9.
(a)
(b)
Gambar 8 Distribusi suhu media tanam pukul 06.30 WIB, (a) Tampak depan (b) Tampak atas 20 cm dari dasar (10 September 2013)
Pada Gambar 8 ditunjukkan hasil simulasi distribusi suhu pada media tanam berkisar pada rentang suhu 13.69 ºC hingga 21.07 ºC. Distribusi suhu media tanam cenderung lebih rendah daripada suhu udara di dalam rumah tanaman maupun lantai yang mempengaruhi perubahan suhu. Pada Gambar 8 (a), dapat dilihat bahwa air cenderung menyebar secara vertikal.
14
(a)
(b)
Gambar 9 Distribusi suhu media tanam pada pukul 13.00 WIB, (a) Tampak depan (b) Tampak atas 20 cm dari dasar (10 September 2013)
Warna yang ditampilkan pada hasil simulasi tersebut menunjukkan distribusi suhu yang terjadi di dalam media tanam. berdasarkan hasil simulasi pada Gambar 9 (a) air lebih cenderung menyebar secara vertikal daripada secara horizontal. Air menyebar ke bawah mengikuti gaya gravitasi. Dominasi warna biru dan hijau pada Gambar 9 (a) memiliki nilai suhu dalam rentang 17.82 ºC hingga 25.63 ºC. Hasil tersebut menunjukkan bahwa pendinginan air 10 ºC dapat menjaga suhu dalam media tanam sebagai media akar tumbuh pada siang hari pukul 13.00 WIB tidak terlalu tinggi. Hal tersebut juga menunjukkan bahwa pendinginan yang diberikan mampu menunjang suhu daerah perakaran tanaman kentang yang optimum. Air yang mengalir di dalam media dalam keadaan dingin mempengaruhi suhu media. Massa air yang memiliki suhu lebih dingin menyerap panas dari media dalam polybag yang memiliki suhu lebih panas. Terjadi pindah panas konveksi oleh air dan media tanam arang sekam di dalam polybag, dimana perpindahan panas yang terjadi disertai perpindahan massa. Menurut Tipler (1998) kapasitas panas air yang besar membuat air menjadi bahan yang baik untuk menyimpan energi termal. Air dapat menyerap atau melepas energi termal dalam jumlah yang besar sementara mengalami perubahan suhu yang sangat kecil. Meskipun suhu di dalam rumah tanaman tinggi, namun apabila suhu di daerah perakaran dijaga agar cukup rendah maka tidak akan mengganggu pertumbuhan tanaman. Matsuoka dan Suhardiyanto (1992) melaporkan bahwa tanaman tomat dengan suhu daerah perakaran dipertahankan pada tingkat 21 ºC - 23 ºC dapat tumbuh jauh lebih baik dalam sistem Nutrient Film Technique (NFT) dibandingkan dengan yang berada pada tingkat suhu 25 ºC - 27 ºC. Gambar 9 (b) menyajikan warna kuning menunjukkan suhu udara di sekitar polybag berkisar antara 33.45 ºC - 37.35 ºC. Selain itu, bagian di bawah polybag berwarna merah menandakan suhu lantai lebih tinggi, daripada bagian lain dalam dua gambar yang dikaji yaitu antara 24.76 ºC – 26.60 ºC.
15
(a)
(b)
Gambar 10 Distribusi suhu media tanam dengan air tanpa pendinginan, (a) Pukul 06.30 WIB (b) Pukul 13.00 WIB
Gambar 10 (a) merupakan hasil simulasi pada kondisi air tidak didinginkan. Gambar tersebut menunjukkan rata-rata distribusi suhu media tanam pada pukul 06.30 WIB adalah 22 ºC - 24 ºC. Gambar 10 (b) menunjukkan rata-rata suhu pada pukul 13.00 WIB adalah 35 ºC - 37 ºC. Hasil simulasi distribusi suhu pada kondisi air tidak didinginkan menunjukkan bahwa suhu media tanam masih cenderung tinggi pada semua bagian dari media tanam. Hal ini menunjukkan bahwa tanpa pendinginan larutan nutrisi maka media tanam pada sistem hidroponik substrat dengan kondisi lingkungan seperti kondisi percobaan tidak akan memungkinkan tanaman dapat tumbuh dengan baik. Hal tersebut sangat mengganggu dalam pertumbuhan tanaman kentang yang cenderung membutuhkan suhu lingkungan yang rendah.
Validasi Validasi dilakukan untuk mengetahui keakuratan model CFD yang dibuat. Untuk itu, validasi dilakukan terhadap suhu media tanam dalam polybag hasil simulasi terhadap hasil pengukuran. Terdapat dua metode untuk validasi yaitu dengan menghitung Average Precentage of Deviation (APD) dan dengan garis regresi. Presentase rata-rata error yang terjadi pada suhu fluida di dalam media tanam mencapai 6.2 %. Hal tersebut mungkin karena pendefinisian material dan kondisi batas yang kurang detail pada simulasi CFD sehingga menyebabkan hasil simulasi yang kurang mendekati dengan hasil pengukuran. Nilai error setiap titik dapat dilihat pada Lampiran 2. Dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara hasil simulasi (y) dan hasil pengukuran (x) validasi hasil simulasi terhadap hasil pengukuran juga dapat dilakukan. Persamaan garis regresi ditampilkan pada Gambar 11. Intersep yang dihasilkan adalah -1.4069 dan memiliki gradien 1.0527. Koefisien determinasi R2 0.8456 menunjukkan bahwa besarnya keragaman suhu media tanam hasil simulasi dapat dijelaskan oleh suhu media tanam hasil
16 pengukuran. Pendugaan dari simulasi ini cukup baik karena persamaan regresi memiliki intersep mendekati nol dan gradien mendekati satu. 30
Suhu Simulasi (°C)
y=x 25
20
y = 1.0527x - 1.4069 R² = 0.8456
15
APD= 0.062
10 10
15
20
25
30
Suhu Pengukuran (ºC)
Gambar 11 Grafik validasi suhu media hasil simulasi terhadap suhu hasil pengukuran
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa distribusi suhu tipikal rata-rata media tanam dalam polybag adalah 17.82 ºC 25.63 ºC pada kondisi cuaca cerah pukul 13.00 WIB. Hal tersebut menandakan pemberian perlakuan pendinginan larutan nutrisi 10 ºC dapat menjaga suhu media tanam tetap rendah. Pada pukul 06.30 WIB distribusi suhu rata-rata media tanam berkisar antara 13.69 ºC - 21.07 ºC. Hasil validasi menunjukkan bahwa pendugaan distribusi suhu media tanam di dalam polybag dapat dikatakan cukup baik karena pada garis regresi yang terbentuk antara hasil simulasi dan hasil pengukuran nilai gradien yang diperoleh 1.0527 dan intersep yang dihasilkan adalah -1.406 serta koefisien determinasi R2 0.8456. Garis regresi tersebut mendekati garis y = 1 karena nilai gradien mendekati satu dan intersep mendekati nol. Saran Perlu kajian lebih lanjut mengenai simulasi distribusi suhu media tanam diikuti dengan perubahan suhu terhadap waktu. Agar distribusi suhu lebih merata disarankan untuk memperbanyak emiter yang ditanam dalam polybag untuk debit
17 total tetap. Selanjutnya untuk menentukan jarak ujung emiter dengan akar bibit dapat dilakukan dengan simulasi CFD agar suhu daerah sekitar bibit dapat dijaga tetap rendah.
DAFTAR PUSTAKA Ciptaningtyas D. 2011. Simulasi Pola Sebaran Suhu Media Tanam Arang Sekam pada Sistem Hidroponik Substrat dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Fitter AH, Hay RKM. 1981. Fisiologi Lingkungan Tanaman. Sri A dan ED Purbayanti, penerjemah. Yogyakarta (ID):UGM Pr. Holman JP. 1997. Perpindahan Kalor. Jasfi E, penerjemah. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Mastalerz JW. 1977. The Greenhouse Environment: The Effect of Environmental Factors on The Growth and Development of Flowers Crops. New York (US): John Wiley & Sons, Inc. Matsuoka T, Suhardiyanto H. 1992. Thermal and flowing aspects of growing petty tomato in cooled NFT solution during summer. Environ, Contr, Biol. 30(3):119-125. Riskawati D. 2012. Simulasi Sebaran Suhu pada Chamber Aeroponik dengan Menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD) [skripsi]. Bogor (ID): Institup Pertanian Bogor. Samadi B. 1997. Kentang dan Analisis Usaha Tani. Yogyakarta (ID): Kanisius. Setiadi, Nurulhuda SF. 1993. Kentang, Varietas dan Pembudidayaan. Jakarta (ID): Penebar Swadaya. Suhardiyanto H. 2009. Teknologi Rumah Tanaman untuk Iklim Tropika Basah: Pemodelan dan Pengendalian Lingkungan. Bogor (ID): IPB Pr. Sumarni E, Suhardiyanto H, Seminar KB, Saptomo SK. 2013. Temperature Distribution in Aeroponics System with Root Zone Cooling for the Production of Potato Seed in Tropical Lowland. IJSER. 4(6):799-804. Sutater T, Wiroatmodjo J, Solahuddin S, Nasoetion LI, Bey A, Nur MA. 1987. Pertumbuhan dua varietas kentang (Solanum tuberosum L.) di lingkungan dataran rendah Tipler PA. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik. Lea P dan Rahmad WA, penerjemah. Jakarta (ID): Erlangga Tuakia F. 2008. Dasar-dasar CFD Menggunakan Fluent. Bandung (ID): Informatika
18
LAMPIRAN Lampiran 1 Tabel sebaran suhu media dalam polybag Waktu 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00
1
2
3
28.07 21.41 20.72 19.74 20.33 20.03 22.48 21.80 22.29 23.76 25.13 26.01 26.01 27.68 26.70 27.39 28.96 29.45 28.76 28.07 27.39 26.31 25.52
28.47 19.40 16.31 15.72 16.31 16.41 18.86 17.78 17.39 19.35 20.43 21.01 21.01 22.58 22.30 24.25 23.37 23.47 22.39 22.19 22.68 22.19 21.21
29.54 19.80 12.68 14.64 14.44 16.50 17.68 16.99 14.35 18.07 18.27 19.35 20.82 20.43 24.70 22.58 19.15 21.41 18.17 22.09 19.64 20.72 17.78
TITIK PENGUKURAN 4 5 6 22.68 18.07 13.86 16.21 15.42 18.17 16.80 19.05 19.84 18.37 17.39 17.48 21.99 17.88 24.74 24.54 17.68 19.54 16.41 20.33 16.90 19.15 16.11
26.70 15.70 11.80 14.54 14.05 16.60 14.35 16.90 14.93 15.62 15.42 15.03 19.54 15.42 24.30 21.01 15.42 16.99 14.74 19.35 15.33 17.48 14.93
26.41 17.80 13.17 15.42 14.74 17.19 15.13 17.88 15.82 16.90 16.31 15.72 20.23 15.92 23.50 22.39 16.21 18.27 15.62 19.44 15.92 18.56 15.42
7
8
9
25.33 15.92 12.97 15.23 14.44 16.80 15.52 18.17 16.31 17.19 16.99 16.31 20.43 16.90 22.68 23.96 17.48 18.86 16.70 18.27 17.29 18.46 16.21
25.92 15.10 11.80 14.64 14.84 16.70 15.13 16.80 15.42 15.92 15.82 15.72 19.35 15.92 25.60 20.13 16.11 16.99 14.64 20.13 15.52 16.99 14.93
24.64 17.20 13.95 16.11 15.42 18.17 16.80 19.05 19.84 18.37 17.39 17.48 21.99 17.88 24.90 24.54 17.68 19.54 16.41 20.33 16.90 19.15 16.11
Lampiran 2 Perhitungan error hasil simulasi Simulasi (°C) 18.02 17.62 17.98 17.94 18.32 18.19 23.52 24.62 23.32 24.03 25.67 24.59
Pengukuran (°C) 19.40 19.80 15.70 17.80 15.10 17.20 22.30 24.70 24.30 23.50 25.60 24.90 Rata-rata
Error (%) 7.12 11.03 14.54 0.80 21.33 5.75 5.47 0.33 4.04 2.27 0.28 1.26 6.19
19 Lampiran 3 Gambar orthogonal polybag
20
RIWAYAT HIDUP Ina Rahmawati lahir pada tanggal 14 November 1990 di Banyuwangi. Penulis lahir sebagai tunggal dari pasangan KH Drs Mudatsir AM dan Salimatul Fuad. Pendidikan formal mulai ditempuh di TK Kaliwates, Jember (1995-1997), SD Al-Baitul Amien, Jember (1997-2001), SD Negeri Tegal Harjo IX, Banyuwangi (2001-2003), SMP Negeri 6, Jember (2003-2006), SMA Negeri 4, Jember (2006-2008), SMA Negeri 1 Sungai Lilin, Musi Banyuasin (2008-2009), dan Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian (2009-2013) yang kemudian berganti nama menjadi Departemen Teknik Mesin dan Biosistem. Selama mengikuti perkuliahan, penulis mengikuti berbagai kegiatan termasuk menjadi pengurus HIMATETA (Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian) periode 2011-2012 sebagai staff Riset dan Teknologi, pengurus BEMFATETA (Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian) periode 2012-2013 sebagai sekretaris biro Kewirausahaan. Penulis melakukan praktik lapangan di PT Perkebunan Nusantara VIII Kebun Malabar, Pangalengan, Bandung selama 40 hari dengan topik “Aspek Ketek ik p P ses Pengolahan Teh di Kebun M l b PT Pe kebu Nus t VIII”. Adapun prestasi yang pernah diukir oleh penulis adalah PKM-T didanai DIKTI pada tahun 2011, PKM-T didanai DIKTI pada tahun 2012 dan PIMNAS (Pekan Ilmiah Nasional) tahun 2012 mendapatkan medali emas pada bidang poster, Juara III Cooking Competition Nutrion Fair tahun 2012.
