Vol .18 N0.3 Agustus 3004 ANALISIS VENTlLASl ALAM PADA MULTl SPAN GREENHOUSE, FAPERTA IPB Analysis of Natural Ventilation on Faculty of Agricultural IPB's Multispan Greenhouse
Meiske Widyattil,
133, Rita lntan permatasari2
Abstract Greenhouse can protect plants from unexpected conditions like heavy rainfall, strong wind and insect attack. In a tropical humid greenhouses, problem that always occur is a very high micro climate. Plants can grow optimumly only in a suitable environtment. With a proper design, suitable air temperature for plant growth can be generated. Greenhouse's micro climate can be managed using a ventilation system. The economical way of a ventilation system is natural ventilation which utilize wind and thennal efects. Structures and shape of a building will give big influences to the natural ventilation's speed, This research study about natural ventilation system in a multi span greenhouse located at Cikabayan inside IPB Campus. This study found that opening for ventilation system in this building is only 26,4 % of the total building area which is still lower than the requirement amount (40 % ). The natural ventilation speed inside the building is 0,6 - 0,8 m/s ;it is lower than the recomending speed 0 , 5 - 1,O m/s. The natural ventilation is more dominated by thennal efect than wind effect. Temperature inside the building is higher 57"C than outside and the humidity is low. A design modification especially at the windward wall's area should be done to get a higher rate of ventilation speed.
Keywords: muitispan, greenhouse, natural ventilation LATAR BELAKANG
Pertumbuhan setiap jenis tanaman akan mernerlukan lingkungan yang sesuai dengan kebutuhannya agar dapat berkembang dengan optimal. FaMorfaktor lingkungan yang menentukan proses fotosintesis dan mempengaruhi pertumbuhan tanaman diantara -nya adalah suhu udara sirkulasi udara, intensitas cahaya, kelembaban, dan ketersedia -an unsur hara. Salah satu cara pengendalian dalam prtumbuhan tanaman adalah dengan penggunaan greenhouse ( m a h kaca). Di dalam rumah kaca akan dapat dikondisikan tersedianya kesesuaian lingkungan untuk kebutuhan pertumbuhan
tanaman. Masalah yang timbul dari penggunaan green house di daerah tropis adalah timbulnya efek rumah kaca, di': mana pantulan dari radiasi matahari ,bergelombang panjang yang masuk tertahan dan menyebabkan suhu di dalam rumah kaca lebih tinggi dari pada suhwlingkungan sekitamya. Hal ini mengganggu pertumbuhan tanaman. Upaya yang dapat dilakukan untuk mengatasinya adalah dengan membuat pergerakan udara ( ventilasi) pada greenhouse. Sisten? ventilasi yang paling ekonomis adalah dengan memanfaatkan energi yang tersedia di alam yang berasal dari efek angin dan termal.
' ~ t a Pengajar f pada Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Tekndogi Pertanian, tPB 2~lumnus Jurusan Teknik Pwtanian, Fakultas Teknologi Pwtanian,lPB
140
Vol . I 8 No.2 Aaustus 2004 Laju ventilasi alam pada bangunan Tabel 1. Ukuran dimensi bar lunan (m) greenhouse dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain kecepatan angin,, dimensi dan msisi bukaan ~ada bangunan, siGem kondruksi k r t a unsur-unsur material yang digunakan. Tinggi dinding batako (t, Oleh sebab itu maka akan sangat Lebar ventilasi dinding (Lw) bermanfaat apabila dipelajari tentang Panjang ventilasi dinding sistem ventilasi alami yang tejadi pada Lebar ventilasi atap vertikal (Lr) multispan greenhouse didaerah beriklim Lebar ventilasi atap horisontal tropis lernbab. (d)
I
: :gigGE'''-'e F)
.
Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Melakukan pengukuran dan analisis terhadap laju ventilasi alam pada bangunan multispan greenhouse milik Faperta, IPB 2. Mengetahui kesesuaian rancangan bangunan greenhouse untuk daerah beriklim tropis
METODE DAN BAHAN Penelitian ini dilakukan pads sebuah muitispan greenhouse milik Faperta IPB, Cikabayan, Bogor, jamBarat pada bulan April-Juni 2002. Greenhouse yang digunakan dalam penelitian ini bertipe mult~spandengan ukuran 22,5 m x 20 m. Konstruksi greenhouse ini sebagian besar menggunakan baja dengan penutup atap berbahan kaca yang berketebalan 8 mm. Dinding bangunan menggunakan kassa kaku yang berfungsi sebagai bukaan ventilasi. Bangunan beratap monitor dan mempunyai ventilasi atap. Tabel 1 dan Gambar 1 dan 2 merupakan skema dimensi beserta ukuran bangunan yang dipergunakan dalam penelitian ini.
~anjang ventilasi atap (U) Tinggi ventilasi dari lantai ke sumbu tengah ventilasi dinding (Tw) Tinggi ventilasi dari lantai ke sumbu tengah ventilasi atap (Tr) Tinggi bidang tekanan netral (S)
Parameter lklim yang - diukur untuk perhitungan laju ventilasi antara lain temperatur, kelembaban udara, dan k k p a t a n angin di sekitar greenhouse menggunakan mather Station. Weather station diletakkan di luar greenhouse. Nilai basil pengukuran terbaca pads display dan direkam Pads PC. Pengukuran temperatur di dalam greenhouse menggunakan tmnometer air raksa seban~aktiga Pasang Yang diletakkan spasang pads masingmasing Span. S U ~bola U basah dan bola kering dig,unakan untuk mengetahui kelembaban udara dan kerapatan udara di dalamgRnhouse. Untuk mengukur kece~atanaliran udara Yang melintasi bukaan digunakan bola-bola gabus. Bola-bola gabus digantungkan dengan seutas tali pada setiap kassa ventilasi.
+
Gambar 1. Tampak samping dime8si greenhouse tipe mulfispan
: (uoxa '8 Aewsa) ueeuestad uelep ue>lae'u!~ (zu/6y) dV eJePn UeueAal (QBL) a s s pue !ezo>l p4epuels 4 a ~ e IeJnprulS s asnoquaas : mqunS IJeepaqJad eAuJeSag .asnoqua6 ueds p ~ e ~ a a ~ e p eJenl d !p uep welep !p eJepn ueueyal 9'0pJeMaal dep !selQwA ueepaq~ad eAuepe eua~ey !pel~al ueds pJeMaal eped ueeynq !sew!pu 6ueA eJepn ueJ!lt/ E'O p ~ e w !s!s w dep !sel!lua~ ueds ap!pauJalu! eped pJeMaal !s!s dele !sel!lua~ '!nW\ay!P uedsale!pawJalu!e~ed asnoquaads. eped ( 9 4 3 ' 0 '3) PJeMpUK !S!S dele !s~~IJw/\ E'O eJePn ueJ~eynl.Jad n k l !el!u ~ e 6 e3!seg ueds pJeMu,Meped p~e-1 !s!s dew ! s e l ~ u a ~ - 0 Eeyeq JaItId~oylUeJ60~due6uap L'Oueds P J ~ M ~eped !M ue6un~y~adueyeun66uau ue6uap ZL'OPEMUw !s!s.dele ...I !sel!lua~ yelo!p ue~ny n6uad elep-elea PJeM-1 9'0!s!s eped 6u!pu!p ! s e l ~ u a ~ (,LuI~~) Jenl elepn uepde~ay= d PJeMUw (w) snqe6 eloq ue!-!~e!=J 9'0 !s!s eped 6 u ! w ! s e ~ ~ u a ~ (LU)!lei Gue!ued = 1 (d3) (ur) !lei ue6uedur1s= x ueueyal %( z9'6)~!~e)we~6 ~ eAe6 pq!ye ueleda~~ad =6 ua!spo)( !sel!)ua~ueeyng (6y) snqe6 eloq esseur = ur u!6ue JOlye' (s/~1)ueeynq eped elepn ueJ!@uepdawy= n leq!ye ueueyal ua!slwy 'Z laqel : eueup L e
p i
'!U! lnyuaq w e 1 'JJeleP (L) ........................... uey!les!p ue6unyq~aduelep ueyeun6!p 6ueA d3 i e ~ueeynq !~ sen1 ue6wp srunl ye6al 6ueA u!6ue y e ~ eynwn pe(gwA ueeynq degas!p ueueyal ueJeqas : !~nouagueeuwad ! ~ e p ueyun~nvp ueyynlunuaw d=) ueueyal u a s l ~ y ueeynq !leMalau ueJ!le ueled-y (Zw/fjy)leWleped y!pls ueueyal= M 6un~y6uaw ynlun UeeuesJad ( urfiy) u ! k e eped y!lels ueueyal= ~d tZ~16y) relue~eped ~ ! l e l s ueueyal = sd :e w l p
(z)................
+
ueeynq degas !p e1eJ-w ueled-y ueyledepuau ynlun - sd = dV ue~ny n6uad y~!gqnlndas eped ueyepal!p snqe6 elog 'qel ue6uedu!s eAwesaq Jnyn!p snquayJaq u16ue lees eped
Laju aliran udara yang melewati bukaan G (kgls) dapat dihitung dengan persamaan :
...................(6)
I
I
l(;,7il=
dimana: n = jumlah bukaan ventilasi
4=
bukaan (m2)
h = tinggi b~dangtekanan netral dari lantai (m) h = tinggi bukaan dari lantai ke sumbu tengah (m)
.........(4) dimana :
Cd = koefisien discharge A = luas bukaan (m2) g = percepatan akibat gravitasi bumi (9.8 d s 2 ) pd = kerapatan udara luar greenhouse (kg/m3) pbn= kerapatan udara dalam greenhouse (kg/m3) \P = perubahan tekanan (kg/m3)
Koetisien discharge Cd menyatakan nilai perbandingan antara luasan efektii yang merupakan bidang normal tegak lurus aliran dengan luasan lubang itu sendiri. Cd yang digunakan dalam perhitungan ini adalah 0.44 untuk ventilasi dinding dan 0.29 untuk ventilasi atap (Ishihara di dalam Kozai and Sase, 1978) . Besamya pertukaran udara di dalam greenhouse CHG ('I,,) dapat dihitung dengan persamaan berikut :
CHG =
3600.S
......................(5)
dimana : S = total laju aliran udara yang masuk greenhouse (kgls) = 1 G in pout = kerapatan udara luar greenhouse (kgTm3) V d = volume total greenhouse (m3)
..
f'-\
Dalam perhitungan laju ventilasi karena efek termal, perlu diketahui posisi bidang tekanan netral pada bangunan. Posisi bidang tekanan netral mernberi gambaran tentang posisi=dari bukaan yang berfungsi sebagai inlet dan outlet. Menurut Bruce (1978), ketinggian bidang tekanan netral dihitung dengan persamaan :
Pengukuran laju ventilasi alam menggunakan bola-bola gabus dilakukan untuk memperoleh laju aliran udara U (rnls) . Nilai U didapat dari hasil konversi dari pengukuran simpangan tali. Perhitungan laju aliran udara volumetrik Q (m3/s)dengan persamaan
I
I
A
dimana : Cd = kcefisien discarge (-) U = kecepatan aliran udara yang rnelewati bukaan (ds) A = luas bukaan wntilasi (m2)
Sedangkan laju aliran udara G (kgls) dihitung dengan persamaan :
IG,~.
pp,I
= Q.
.................................. (8)
dimana : Q = laju aliran udara volumetrik (m31s) pout=kerapatan udara luar greenhouse ( k g l d )
HASlL DAN PEMBAHASAN Luasan total ventilasi untuk pertukaran aliran udara efektif pada multispan reenhouse adalah sebesar 118,824 m . Besar luasan ini adalah 26,4 OO/ dari luas lantai bangunan yang seluas 450 m2 . Laju ventilasi alami yang berfungsi sebagai laju pertukaran udara efektif yang dihasilkan belum memadai karena masih lebih kecil dari yang direkomendasikan untuk bangunan pertanian . yaitu 30 %. (Hellickson and Walker, 1983). Untuk mendapatkan laju ventilasi alami sebesar 40-60 Iljam, maka luas bukaan untuk ventilasi harus mencapai 40 % dari total luasan lantai bangunan seperti yang tertulis dalam standard yang berlaku. Kondisi alam pada daerah
9'
Vol . I 8 No.? Agustus 2004 beriklirn tropis lernbab dirnana cuaca panas sepanjang tahun ditarnbah dengan kecepatan angin yang kurang dominan dalarn rnernbentuk pola aliran yang baik mengakibatkan perbedaan suhu dalarn greenhouse dengan suhu luar sangat besar. Letak bidang tekanan netral menggambarkan posisi bukaan yang berfungsi sebagai inlet atau outlet. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa letak bidang tekanan netral greenhouse adalah 3.7 rn dari lantai greenhouse. Ventilasi dinding yang berada di bawah ketinggian bidang tekanan netral terletak pada ketinggian 2,s rn, (masih kurang dari 3.7 m) berfungsi sebagai inlet. Akibat tekanan udara luar lebih tinggi daripada tekanan udara di dalarn greenhouse terjadi aliran udara rnasuk ke dalam greenhouse. Ventilasi atap berperan hanya sebagai outlet, akibat tekanan udara di dalarn greenhouse lebih tinggi daripada tekanan udara luar sehingga terjadi aliran udara keluar. Selain efek terrnal, laju ventilasi dipengaruhi oleh efek angin. Cp atau koefisien tekanan digunakan dalam rnenentukan besamya pengaruh faktor angin terhadap laju ventilasi alam yang terjadi. Koefisien tekanan bernilai positif untuk ventilasi dinding pada sisi winward dan ventilasi atap sisi winward pada leeward span. Apabila faktor angin cukup dorninan rnaka ventilasi atap seharusnya juga dapat berperan sebagai inlet. Pada greenhouse ini ventilasi atap seluruhnya berperan sebagai outlet. Keadaan kecepatan angin yang bervariasi, sedikit mernbantu mendorong laju ventilasi alam , sehingga suhu di dalarn greenhouse dapat rnencapai perbeciaand5 OC 7 OC dari keadaan di luar bangunan.
-
PERHITUNGAN LAJU VENTllASl Kondisi cuaca di lapangan selama penelitian cerah dengan suhu berkisar antara 26OC - 3S°C pada pukul 08.00 sarnpai dengan 16.00. Hasil dari perhi tungan dengan metode bola-bola gabus
diperoleh kecepatan aliran udara yang melewati kassa ventilasi dinding sekitar 0,6-0,8 rnldtk. Nilai ini lebih kecil dari ke cepatan yang dibutuhkan bangunan sehingga jurnlah laju aliran udara ratarata (CHG) rata-rata hanya sebesar 36,35 Ilh. Faktor angin tidak banyak berpengaruh dalarn rnendorong laju ventilasi alarn bersarna-sama efek terrnal sehingga ke lernbaban di dalam greenhouse yang diteliti sangat rendah. Perbandingan antara laju ventilasi hasil pengukuran dan pendekatan teoritis rnenunjukkan nilai seperti yang terlihat pada Tabel 3. Untuk bukaan ventilasi ke-I, pendugaan laju aliran massa udara G1 menghasilkan rata-rata error sebesar 19,55% sedangkan pendugaan laju aliran rnassa udara G10 pada bukaan ventilasi ke-10 menghasilkan rata-rata error sebesar 23,9S0h. Error sebesar kurang dari 30% rnasih cukup rnernadai rnengingat karakteristik aliran udara yang berubah-ubah dan sulit untuk diukur. Adanya perbedaan antara hasil pengukuran dan pendekatan teoritis disebabkan oleh rnetode pengukuran yang dilakukan secara manual dengan mengandalkan ketelitian pandangan rnata, sehingga ada kernungkinan terjadi kesalahan dalarn pembacaan nilai sirnpangan tali dari bola-bola gabus. Selain itu sifat angin yang ,-pergerakannya berubah-ubah setiap waMu rnengakibatkan kesulitan dalarn keakurantan pengukuran. Suhu ruang dalarn bangunan greenhouse yang di teliti dapat rnencapai kurang lebih 42"'k dengan kelernbaban yang relatif kering dengan nilai rata-rata 43. Salah satu cara untuk mendapatkan laju ventilasi alam sesuai dengan yang direkornendasikan adalah dengan rnelakukan rnodifikssi desain; yaitu dengan penambahan luasan.
Gambar 3: Aliran udara dalam moltispan greenhouse
Vol .18 No.? Agustus 2004 KESIMPULAN 1.Suhu ruang tertinggi yang tercipta dalam bangunan multispan greenhouse dapat mencapai 42 OC dengan perbedaan 5 - 7 " C dengan suhu luar. Kelembaban (RH) didalam bangunan rata-rata 43 relatii kering pada kondisi hari cerah.
Engineering Research (37) : 141154. Esmay M.L and Dixon J.E. 1986. Environmental Control for Agricultural Buildings, The AVI Publishing Company Inc. Connecticut, USA Hellickson, M.A. and Walker J.N. 1983. Ventilation of Agricultural Structures. An ASAE. American Society of Agricultural Engineers, Michigan, USA.
2. Laju ventilasi alami pada multispan greenhouse lebih didominasi oleh efek termal. Bukaan ventilasi dinding hanya berfungsi sebagai inlet Kozai, T. and S. Sase. 1978. A Simulation of Natural Ventilation sedangkan bukaan ventilasi atap for a Multispan Greenhouse. J. sebagai outlet. Acta Horticulture (87) : 339-348. 3. Perbandingan antara laju ventilasi Mastalerr, John W. 1977. The Greenhouse Environment. John hasil pengukuran dengan pendekatan Wiley and Sons, Inc. USA. teoritis menunjukkan nilai error antara 19.55% untuk bukaan I dan Mc Daniel, Gary L. 1979. Ornamental Horticulture. Reston Publishing 23,95% untuk bukaan ke-10. Hal ini Company, Inc. Virginia. menunjukkan bahwa hasil simulasi Nelson, P.V. 1981. Gmnhouse sudah cukup mernadai. Operation and Management. Reston Publishing Company, Inc. 4.Efek kecepatan angin rata-rata yang Virginia. melewati bukaan dinding sebesar 0,6 0,8 mldetik lebih kecil dari yang Randall, J.M. and C.R. Boon. 1997. Ventilation Control and Systems. direkomendasikan yaitu 0,75 - 1,O Animal Science and Engineering meter per detik. Division, Silso Research Institute. UK. 5. Untuk mendapatkan laju ventilasi ideal perlu dilakukan modifikasi desain Walls, I.G. 1975. The Complete Book of Gqnhouse Gardening. dengan menarnbah luasan ventilasi Quadrangle Books. New York. dinding dan atap bangunan. Zhang, J.G., K.A. Janni, and L.D.. Jacobson., 1989. Modelling Natural Ventilation Induced by DAFTAR PUSTAKA Combinkd Thermal Buoyancy and Wnd. Transactions of the ASAE Brockett, B.L. and L.D. Albright. 1987. 32(6) 165-2174. Natural Ventilation in Single Airspace Building. J. Agricultural
