## ANALISIS VENTILASI ALAMIAH PADA GREENHOUSE TIPE STANDARD PEAK MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Natural Ventilation Analysis of Standard Peak Greenhouse using Computational Fluid Dynamics

## Oleh :
Yayu Romdhonah 1 , Herry Suhardiyanto 2 , Erizal 2 , Satyanto Krido Saptomo 2
1 Jurusan Agroekoteknologi, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa
2 Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. E-mail: yayuromdhonah@gmail.com

## ABSTRACT
Standard  peak  greenhouse  is  an  adapted  design  for  the  humid  tropical  regions.  Analysis  of  the greenhouse natural ventilation had been conducted using 3D Computational Fluid Dynamics (CFD). The  objective  of  this  research  was  to  investigate  the  greenhouse  natural  ventilation  performance  on zero and low  windspeed conditions.  Solidworks ® CFD software  was used in this study.  Climate data and greenhouse characteristics were used as inputs for the simulation. The results of CFD simulation were  presented  in  3D  of  airflow  vectors  in  x,  y,  and  z  directions.  Results  of  this  study  showed  the importance of roof vents and sidewalls openings for efficient thermally driven ventilation.
Keywords: greenhouse, airflow analysis, natural ventilation, CFD

## ABSTRAK
Greenhouse tipe standard peak adalah hasil adaptasi dari desain greenhouse subtropis untuk kawasan tropis  basah.  Analisis  terhadap  ventilasi  alamiah greenhouse tipe standard  peak telah  dilakukan menggunakan Computational  Fluid  Dynamics  (CFD) 3  dimensi.  Tujuan  penelitian  ini  yaitu  untuk mengetahui kinerja ventilasi alamiah pada greenhouse tipe standard peak pada saat angin tidak bertiup dan saat kecepatan angin di greenhouse luar rendah. Simulasi CFD dilakukan menggunakan perangkat lunak  CFD  Solidworks ® .  Data  suhu  dan  karakteristik greenhouse digunakan  sebagai  input  simulasi. Hasil simulasi CFD berupa vektor dan kecepatan aliran udara di dalam greenhouse ditampilkan dalam bentuk  visualisasi  potongan  3  dimensi  arah  bidang x , y ,  dan z .  Hasil  penelitian  menunjukkan pentingnya bukaan ventilasi di atap dan bukaan di dinding greenhouse untuk berlangsungnya ventilasi alamiah akibat gaya termal secara efisien.
Kata kunci: greenhouse , aliran udara, ventilasi alamiah, CFD

## PENDAHULUAN
Pada  umumnya greenhouse di  daerah tropis  menghadapi  permasalahan  suhu  udara internal yang tinggi pada siang hari. Udara panas tertahan  di  dalam greenhouse akibat  kurangnya bukaan  ventilasi,  atau  bisa  juga  karena  letak bukaan ventilasi yang tidak tepat.
Pada  dasarnya  aliran  udara  dari  dalam  ke luar greenhouse dapat  terjadi  secara  alamiah melalui bukaan ventilasi tanpa bantuan peralatan mekanis (Lindley dan Whitaker, 1996). Penyebabnya  adalah  perbedaan  tekanan  udara
antara  dua  tempat  di  dalam greenhouse akibat gaya angin maupun gaya termal, atau kombinasi keduanya (Soegijanto, 1999).
Dengan pengetahuan  dasar  ini,  rancangan greenhouse yang  memanfaatkan  ventilasi  alamiah untuk kondisi Indonesia dapat dikembangkan.
Greenhouse tipe standard peak merupakan  desain  yang  dikembangkan  dan disesuaikan    untuk  kawasan  tropis  basah (Suhardiyanto,  2002).  Tipe  ini  memiliki  atap yang  berundak  dengan  bukaan  ventilasi  di bagian ridge (atap)  membuka  ke  dua  arah (Suhardiyanto,  2009).  Hal  ini  dimaksudkan  agar
terjadi  pertukaran  udara  secara  alamiah  untuk mengeluarkan udara panas dari dalam greenhouse dan menggantinya dengan udara dari luar  yang  sejuk  dan  kaya  akan  CO 2 .  Menurut Soegijanto  (1999),  apabila  terdapat  dua  lubang dengan  ketinggian  yang  berbeda  maka  akan terjadi  aliran  udara  dari  dalam  ke  luar  melalui lubang yang terletak di atas akibat efek termal.
Analisis ventilasi alamiah dapat dilakukan dengan  berbagai  metode  (Suhardiyanto,  2009). Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan  salah  satu  cara  untuk  menganalisis ventilasi  alamiah  dan  iklim  mikro  di  dalam greenhouse (Mistriotis dkk., 1997a). CFD adalah suatu analisis sistem yang meliputi  aliran fluida, pindah  panas  dan  massa,  serta  fenomena  lain seperti  reaksi  kimia  dengan  menggunakan simulasi  berbasis  komputer  (Versteeg  dan Malalasekera,  1995).  Saat  ini  paket  perangkat lunak  CFD  telah  banyak  beredar  baik  yang komersial  maupun open  source (Romdhonah, 2011). Kode program CFD yang rumit tidak lagi menjadi  masalah  karena  saat  ini  telah  ada  paket perangkat  lunak  CFD  dimana  pengguna  hanya menggunakan interface untuk  memasukkan parameter  dan  untuk  memeriksa  hasil  simulasi. Semua  paket  program  CFD  memiliki  tiga  tahap proses  utama,  yaitu pre-processor , solver dan post- processor (Versteeg  dan  Malalasekera, 1995).
Metode  CFD  2  dimensi  telah  digunakan untuk  simulasi  iklim  mikro greenhouse tipe standard  peak dalam  rangka  pengembangan desain greenhouse untuk  Indonesia  yang mengoptimalkan  ventilasi  alamiah.  (Maksum, 2009,  Erizal  dkk.,  2012).  Menurut  Sase  dkk. (1984)  dan  Mistriotis  dkk.  (1997b),  analisis
kinerja  ventilasi  alamiah greenhouse dilakukan pada  kecepatan  angin  kurang  dari  2  m/dt. Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui kinerja  ventilasi  alamiah  pada greenhouse tipe standard  peak pada  saat  angin  tidak  bertiup  dan saat kecepatan angin di luar rendah menggunakan  CFD  3  dimensi.  Penelitian  ini diharapkan  dapat  memberikan  penjelasan  lebih lanjut  mengenai  iklim  mikro greenhouse tipe standard  peak yang  telah  dilaporkan  oleh Romdhonah  dkk.  (2014).  Selain  itu,  fenomena ventilasi  alamiah  yang  terjadi  pada greenhouse tipe standard  peak dapat  ditunjukkan  secara visual berupa potongan kontur dan vektor secara 3 dimensi dari arah bidang x , y , dan z .

## METODE PENELITIAN
Greenhouse tipe standard  peak yang diteliti memiliki panjang 18.75 m, lebar 8 m, dan tinggi  7.37  m  terletak di  University  Farm, Kampus  IPB,  Cikabayan,  Bogor. Greenhouse memiliki bukaan ventilasi atap dan dinding yang ditutup  kawat  ram  (porositas  0.64).  Dimensi bukaan  ventilasi  dinding  dan  atap  dapat  dilihat pada Tabel 1.
Simulasi  CFD  dilakukan  di  laboratorium komputer  IPB  menggunakan  Flow  Simulation 2010  SP4.0  Build:  1299  yang  merupakan  satu paket  dalam  perangkat  lunak  Solidworks® Office  Premium  2010  X64  Edition  (Serial  No. 9000  0078  3094  0176  64N9  XP9B).  Pada penelitian  ini  komputer  yang  digunakan  adalah komputer  desktop  dengan  spesifikasi  CPU Intel®  Core™  i7;  8GB  RAM;  dan  64-bit Operating system .
Tabel 1 .  Dimensi dan luas bukaan ventilasi pada greenhouse yang diteliti Ventilasi Dimensi Luas (m 2 ) Panjang (m) Lebar (m) Bukaan di atap menghadap Utara 18.75 1.00 18.7500 Bukaan di atap menghadap Selatan 18.75 1.00 18.7500 Bukaan dinding menghadap Utara 18.75 3.63 68.0625 Bukaan dinding menghadap Selatan 18.75 3.63 68.0625 Bukaan dinding menghadap Timur 8.00 3.63 29.0400 Bukaan gable menghadap Timur 8.00 2.74 10.9600 1.75 1.00 1.7500 1.75 1.00 1.7500 Bukaan dinding menghadap Barat 8.00 3.63 29.0400 Bukaan gable menghadap Barat 8.00 2.74 10.9600 1.75 1.00 1.7500 1.75 1.00 1.7500 Total 260.0625
Simulasi  dilakukan  terhadap  3  kasus, yaitu saat angin tidak bertiup (WS=0 m/dt) untuk Kasus  1,  saat  WS=0,4  m/dt  untuk  Kasus  2,  dan WS=1,8 m/dt untuk Kasus 3. Data input simulasi
berupa  data  iklim  mikro  dan  karakteristik greenhouse sebagaimana dalam Tabel 2.
Tabel 2 . Input kondisi awal dan kondisi batas
Input Kasus 1 ( WS=0 m/dt) 2 ( WS=0,4 m/dt) 3 ( WS=1,8 m/dt) Kondisi Awal Suhu lingkungan ( o C) 23,00 32,20 31,30 Suhu material padat ( o C) 28,08 37,05 36,50 RH lingkungan (%) 97 71 73 Kecepatan angin (m/dt) 0 0,4 1,8 Radiasi Matahari (W/m 2 ) 0 904 663 Letak geografis 6° 18' 00" LS; 106° 24' 00" BT 6° 18' 00" LS; 106° 24' 00" BT 6° 18' 00" LS; 106° 24' 00" BT Waktu (WIB) 06:00 13:30 14:00 Kondisi Batas Suhu atap menghadap Utara ( o C) 22,48 42,00 35,33 Suhu atap menghadap Selatan ( o C) 22,43 45,76 38,81 Suhu lantai ( o C) 28,08 37,05 36,50 Media berpori Jenis Kawat kassa Porositas kassa 0,64 Tipe permeabilitas Isotropik Resistance calculation formula (k) Dependency on reference pore size (D) Panjang 0,254 m Luas 0,000025 m 2 Meshing Mesh 3
Sumber: Romdhonah dkk. (2014).
Diagram  alir  simulasi  diberikan  pada Gambar  1.  Analisis  yang  dilakukan  adalah analisis  3  dimensi  terhadap  aliran  fluida  dan termal  yang  mencakup  perpindahan  panas konveksi,  konduksi,  dan  radiasi  pada  kondisi tunak  ( 3-dimensional steady  state  analysis ). Asumsi  yang  digunakan  dalam  simulasi  adalah: (i)  udara  bergerak  dalam  keadaan steady ,  (ii)
udara  tidak  terkompresi  ( incompressible ),  (iii) panas  jenis,  konduktivitas  dan  viskositas  udara konstan, (iv) udara lingkungan dianggap konstan selama  simulasi,  dan  (v)  distribusi  suhu  udara pada  tiap  atap  dan  lantai greenhouse seragam. Validasi hasil simulasi sebagaimana Romdhonah (2011).
Gambar 1 . Diagram alir simulasi CFD pada penelitian ini.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi  dengan  CFD  3  dimensi  mampu memberikan visualisasi vektor aliran udara yang terjadi di dalam greenhouse arah bidang x , y , dan z .    Pola  aliran  udara  hasil  simulasi  CFD  berupa
potongan  bidang  tampak  depan  (X=9,375  m), tampak samping (Z=4 m), dan tampak atas (Y=1 m)  untuk  masing-masing  kasus  dapat  dilihat pada Gambar 2, Gambar 3, dan Gambar 4.
Mulai
Selesai Tidak Ya Pembuatan geometri greenhouse
Pengaturan general setting (tipe analisis, jenis fluida, material padat, kondisi awal)
Pengaturan mesh
Pendefinisian material greenhouse
Pengaturan kondisi batas
Pengaturan goals ( global goal velocity maximum, minimum , dan average )
Pengaturan daerah perhitungan simulasi Perhitungan parameter goals Pengaturan goals
( global goal velocity maximum, minimum , dan average )
Pengaturan post processor
(tampilan kontur/vektor dari goals )
Konvergen?
Gambar 1 .  Pola  aliran udara Kasus 1 saat WS=0 m/dt tampak depan pada bidang x dengan jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada bidang z dengan jarak Z=4 m (b), dan tampak atas padabidang y dengan ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
Gambar 2 .  Pola aliran udara Kasus 2 saat WS=0.4 m/dt tampak depan pada bidang x dengan jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada bidang z dengan jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada bidang y dengan ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
Simulasi  Kasus  1  dilakukan  pada  saat angin  tidak  bertiup  atau  WS=0  m/dt,  suhu lingkungan  23.0  °C,  dan  radiasi  matahari  nol. Suhu  udara  di  dalam greenhouse dilaporkan Romdhonah  dkk.  (2014)  hampir  seragam berkisar  antara  23.0 –  23.26  °C. Dari  Gambar  2 terlihat  bahwa  walaupun  tidak  ada  angin  yang bertiup,  pergerakan  udara  dari  bagian  bawah greenhouse menuju  ke  bagian  atas greenhouse tetap terjadi. Karena terdapat bukaan ventilasi di dinding,  sebagian  udara  panas  tersebut  keluar melalui  dinding  dan  sebagian  lagi  bergerak menuju  bukaan  ventilasi  di  atap  dan  kemudian keluar greenhouse . Vektor aliran udara menunjukkan  aliran  udara  masuk  melalui ventilasi  dinding  menggantikan  udara  yang keluar.
Apabila  dilihat  dari  atas  atau  bidang y pada  ketinggian  Y=1  m,  terlihat  bahwa  udara masuk  ke  dalam greenhouse melalui  keempat bukaan  dinding.  Udara  menuju  bagian  tengah greenhouse dan  menyerap  panas  dari  lantai. Suhu  udara  meningkat  dan  menjadi  lebih  ringan sehingga  bergerak  ke  atas.  Pergerakan  udara  ini berlangsung  terus  tanpa  bantuan  alat-alat mekanis seperti kipas angin ataupun exhaust fan . Pola  aliran  udara  tersebut  disebut  ventilasi alamiah karena efek termal yang dikenal sebagai "efek cerobong asap" atau chimney effect .
Simulasi
dengan CFD mampu memberikan  prediksi  kecepatan  pergerakan udara  di  dalam greenhouse .  Pada  Kasus  1  saat WS=0 m/dt, udara di dalam greenhouse bergerak dengan  kecepatan  hingga  0.12  m/dt.  Di  bagian
tengah  pada  ketinggian  Y=1  m,  diperkirakan udara  hampir  tidak  bergerak,  kecepatan  udara diprediksi mendekati 0, yaitu 0.02 m/dt.
Pada  Gambar  2  juga  terlihat  sebagian udara  yang  keluar  melalui  ventilasi  atap  masuk kembali ke dalam greenhouse melalui bukaan di dinding.  Hal  ini  disebabkan  adanya vacuum effect di  dalam greenhouse ,  yang  menarik  udara masuk  ke  dalam  melalui  bukaan  yang  lebih rendah.  Hal  ini  dapat  diantisipasi  dengan menutup  bukaan  sebagian  yaitu  yang  berada tepat di bawah atap.
Untuk  Kasus  2,  dimana  kecepatan  angin rendah  (WS=0.4  m/dt)  dan  kondisi  lingkungan panas,  yaitu  saat  suhu  lingkungan  32.2°C  dan
radiasi matahari mencapai 904 W/m 2 , suhu udara di  dalam greenhouse dilaporkan  Romdhonah dkk.  (2014)  menunjukkan  hasil  yang  cukup seragam yaitu 32,2 – 32,7 °C pada ketinggian 0 - 3  m.  Udara  di  dalam greenhouse bergerak dengan  kecepatan  hingga  0.2  m/dt.  Kecepatan udara  di  dalam greenhouse menurun  karena melewati  bukaan  dinding  yang  ditutup  kassa. Pola  aliran  udara  dapat  dilihat  pada  Gambar  3. Di  bagian  belakang greenhouse atau  bidang x , pada  X=15  m,  terjadi  putaran  udara  akibat pertemuan  udara  yang  dibawa  angin  dari  arah Utara  (dinding  kiri)  dan  udara  yang  masuk karena perbedaan suhu melalui dinding kanan
.
Gambar 3 .  Pola aliran udara pada WS=1.8 m/dt tampak depan pada bidang x dengan jarak X=9.375 m (a), tampak samping pada bidang z dengan jarak Z=4 m (b), dan tampak atas pada bidang y dengan ketinggian Y= 1 m di atas lantai (c).
c
Demikian  pula  untuk  Kasus  3  dimana kecepatan  angin  rendah  yaitu  WS=1.8  m/dt, kecepatan  udara  di  dalam greenhouse menurun yaitu  hanya  sebesar  0.075  m/dt  pada  posisi  X= 9.375  m  (Gambar  4).  Tetapi,  kondisi  di  dalam greenhouse lebih  baik  dimana  suhu  udara seragam  pada  ketinggian  1  m  dari  lantai sebagaimana  dilaporkan  oleh  Romdhonah  dkk. (2014).
Chimney  effect terjadi  pada  saat  tidak  ada angin  maupun  saat  kecepatan  angin  rendah. Menurut  Suhardiyanto et  al .  (2006)  pada  waktu kecepatan  angin  kurang  dari  2  m/dt  pertukaran udara cenderung lebih dipengaruhi oleh perbedaan  suhu  udara  di  dalam  dan  di  luar greenhouse . Chimney  effect akan  berfungsi efektif  apabila  desain  bangunannya  mendukung seperti  tipe standard  peak yang  diteliti.  Terlihat dalam  Gambar  3  dan  Gambar  4  bahwa  bukaan ventilasi  di  dinding  berfungsi  sebagai inlet dan bukaan ventilasi di atap berfungsi sebagai outlet . Dari  Kasus  1,  Kasus  2,  dan  Kasus  3 terlihat  bahwa  perbedaan  suhu  udara  di  dalam greenhouse dan  suhu  lingkungan  tidak  jauh berbeda.  Ventilasi greenhouse yang  terdiri  dari bukaan  di  dinding  dan  di  atap  ini  dapat dikategorikan efektif karena dapat mempertahankan  kenaikan  suhu  udara  di  bawah 6 °C (Suhardiyanto, 2009).

## KESIMPULAN
Ventilasi  alamiah  berlangsung  secara efektif pada greenhouse tipe standard peak pada kecepatan  angin  kurang  dari  2  m/dt.  Saat  angin tidak  bertiup  maupun  saat  kecepatan  angin rendah pertukaran udara tetap terjadi akibat gaya termal  karena  adanya chimney  effect .  Aliran udara  masuk  melalui  bukaan  di  dinding  dan keluar  melalui  ventilasi  atap  sehingga  tidak  ada tabrakan aliran udara. Dengan demikian, bukaan ventilasi  di  dinding  dan  di  atap greenhouse sangat berperan dalam menciptakan iklim mikro yang  optimal  bagi  tanaman  tanpa  harus menambah biaya operasional.

## DAFTAR PUSTAKA
Erizal,  H.  Suhardiyanto,  Y.  Romdhonah.  2012.
Design  of  a  Sustainable  Greenhouse Structure  for  the  Tropical  Regions: applying  computational  fluid  dynamics methods. Proceeding of 3rd GEN Network and  4th  Rispescia  International  Seminar: Sustainable  Bio-resources  for  Global
Welfare.  Universitas  Gajah  Mada.  Hlm: 38-43.
Lindley,  J.A.,  J.H.  Whitaker.  1996. Agricultural Buildings and Structures . ASAE. USA.
Maksum,  M.A.A.  2009.    Prediksi  Distribusi
Suhu  dan  Pola  Aliran  Udara  dalam Greenhouse Tipe Standard Peak Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD).  (Skripsi).  Fakultas
Teknologi Pertanian, IPB. Bogor.
Mistriotis,  A.,  T.  De  Jong,  M.J.M  Wagemans, G.P.A.  Bot.  1997a.  Computational  Fluid Dynamics  (CFD)  as  a  Tool  for  the Analysis  of  Ventilation  and  Indoor Microclimate  in  Agricultural  Buildings. Netherlands Journal of Agricultural Science 45: 81-96.
Mistriotis,  A.,  C.  Arcidiacono  ,  P.  Picuno  , G.P.A.  Bot,  G.  Scarascia-.Mugnozza. 1997b. Computational analysis of ventilation  in  greenhouses  at  zero-  and low-wind-speeds. Agricultural  and  Forest Meteorology 88: 121-135.
Romdhonah  Y.  2011.  Simulasi  Distribusi  Suhu dan Kelembapan Udara untuk Pengembangan  Desain  Rumah  Tanaman di  Daerah  Tropika  Basah.  (Tesis).  Institut Pertanian Bogor. Bogor.
Romdhonah,  Y.,  H.  Suhardiyanto,  Erizal,  S.  K. Saptomo.  2014.  Distribusi  Suhu  Udara dan  RH  di  dalam  Rumah  Tanaman  Tipe
Standard Peak Menggunakan
Computational  Fluid  Dynamics .    Jurnal Ilmu  Pertanian  dan  Perikanan.Vol.  3  (2): 125-133.
Sase,  S.,  T.  Takakura,  M.  Nara,  1984.  Wind- tunnel  testing  on  airllow  and  temperature distribution  of  a  naturally  ventilated greenhouse. Acta Hort . 148: 329-336.
Soegijanto.  1999. Bangunan  di  Indonesia dengan Iklim Tropis Lembab Ditinjau dari Aspek  Fisika  Bangunan .  Jakarta:  Ditjen Pendidikan Tinggi Depdikbud.
Suhardiyanto  H.  2002.  Penerapan  Teknologi Pengendalian  Lingkungan  dalam  Sistem Hidroponik untuk Menunjang Peningkatan
Ekspor  Paprika.  Laporan  akhir  Program Penerapan  Iptek  untuk  Pengembangan UKM  dalam  Memacu  Ekspor  Nasional Non Migas. Bogor: LPM IPB.
Suhardiyanto, H., M. Widyarti, F. Chrisfian, I.S.
Muliawati. 2006. Analisis Ventilasi
Alamiah  untuk  Modifikasi  Rumah  Kaca
Standard  Peak Tipe  Curam.  Jurnal Keteknikan Pertanian 20 (2): 127-138.
Suhardiyanto  H.  2009. Teknologi  Rumah Tanaman  untuk  Iklim  Tropika  Basah: Pemodelan dan Pengendalian Lingkungan . IPB Press. Bogor.
Versteeg,  HK,  W  Malalasekera.  1995. An Introduction  to  Computational  Fluid Dynamics:  The  Finite  Volume  Method . Longman  Scientific  and  Technical.  New York.