ANALISIS TERMAL DAERAH PERAKARAN PADA MEDIA

TANAM SISTEM HIDROPONIK UNTUK TANAMAN

SELADA DI DATARAN RENDAH TROPIKA

AULYA ABRAR

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 Analisis Termal Daerah

Perakaran pada Media Tanam Sistem Hidroponik untuk Tanaman Selada di Dataran

Rendah Tropika adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing 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, November 2014

Aulya Abrar

NIM F14100081

ABSTRAK

AULYA ABRAR. Analisis Termal Daerah Perkaran pada Media Tanam Sistem

Hidroponik untuk Tanaman Selada di Dataran Rendah Tropika. Dibimbing oleh

HERRY SUHARDIYANTO.

Suhu udara di dalam greenhouse cenderung lebih tinggi dibandingkan di

luar greenhouse. Untuk mengatasi masalah tersebut, sistem pendinginan daerah

perakaran diajukan sebagai sistem yang lebih efisien dibanding dengan pendinginan

daerah pucuk. Pendinginan daerah perakaran sistem hidroponik dapat dilakukan

dengan pendinginan larutan nutrisi tanaman secara langsung. Pendinginan larutan

nutrisi dilakukan dengan unit pendingin kemudian mengalirkannya ke daerah akar

tanaman dengan suhu yang dijaga sesuai dengan suhu optimum bagi tanaman.

Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pindah panas pada media hidroponik,

melakukan validasi model pindah panas, dan memprediksi suhu input agar

mendapatkan suhu daerah perakaran yang diinginkan. Hasil penelitian menunjukan

bahwa dengan menggunakan model pindah panas tersebut, suhu hasil prediksi

ternyata sangat mendekati suhu hasil pengukuran. Untuk mendapatkan suhu akar

tanaman selada 20 °C pada jam 14.00 WIB ketika radiasi matahari 687 W/m2 dan

suhu udara luar 32 °C, maka suhu larutan nutrisi di titik inlet haruslah 19.85 °C

untuk kotak media yang diinsulasi styrofoam tebal 5 cm, dan 17.06 °C untuk kotak

media yang tidak diinsulasi.

Kata kunci: pendinginan, daerah perakaran, suhu, greenhouse, model pindah panas

ABSTRACT

AULYA ABRAR. Termal Analysis of Root Zone in a Hydroponic System for

Lettuce Plants in Tropical Lowlands. Supervised by HERRY SUHARDIYANTO

Air temperature inside the greenhouse tends to be higher than that of outside

the greenhouse. To overcome this problem, root zone cooling systems is proposed

to be cost-effective and much more efficient than cooling the shoot zone. The root

zone cooling system can be constructed by cooling the plant nutrient solution. The

nutrient solution is cooled by cooling unit then distributed to root zone area and

kept it on optimal temperature range. This study aims to analyse the heat transfer in

the cooled nutrient on hydroponic media, to validate the heat transfer model, and to

predict the input of nutrient solution temperature in order to achieve the set point of

root zone temperature. The results of this study showed that by using the heat

transfer model the predicted temperatures were very close to that of measured

temperature. The temperature of nutrient solution at the inlet should be set to

19.85 °C for media insulated by styrofoam with thickness 5 cm and 17.06 °C for

un-insulation media to achieve root zone temperature of 20 °C (2.00 pm, solar

radiation 687 W/m2, outside air temperature 32 °C).

Keywords: cooling, root zone, temperature, greenhouse, heat transfer model

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

pada

Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

ANALISIS TERMAL DAERAH PERAKARAN PADA MEDIA

TANAM SISTEM HIDROPONIK UNTUK TANAMAN

SELADA DI DATARAN RENDAH TROPIKA

AULYA ABRAR

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2014

Judul Skripsi : Analisis Termal Daerah Perakaran pada Media Tanam Sistem

Hidroponik untuk Tanaman Selada di Dataran Rendah Tropika

Nama : Aulya Abrar

NIM : F14100081

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 subhanahu wa ta’ala atas

segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang

dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan April 2014 sampai bulan

Juli 2014 ini ialah root zone cooling, dengan judul Analisis Termal Daerah

Perakaran pada Media Tanam Sistem Hidroponik untuk Tanaman Selada di Dataran

Rendah Tropika.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Herry Suhardiyanto,

MSc selaku pembimbing, Bapak Dr Ir Rokhani Hasbulah Msi dan Bapak Dr Ir

Leopold O. Nelwan, Msi selaku dosen penguji, serta Bapak Agus Gautsun Niam

dan Bapak Yulianto yang telah banyak memberi saran. Di samping itu, penghargaan

penulis sampaikan kepada Bapak Dharma, Bapak Ahmad, Bapak Harto, Kakak

Nurul, Muharrom, Nurbaiti, Fajar, Friandost, serta teman-teman Anthares yang

telah membantu selama pengumpulan data. Ungkapan terima kasih dan

penghargaan juga disampaikan kepada ayahanda Sudirman, ibunda Solfia Rina

serta saudara-saudaraku Feni, Fero, Icha, dan Nency yang telah memberikan doa,

semangat, motivasi, dan kasih sayangnya, serta kepada Mellyana yang telah

memberikan semangat dan motivasi selama menyelesaikan penelitian dan karya

ilmiah ini.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, November 2014

Aulya Abrar

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR LAMPIRAN vi

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Tujuan Penelitian 1

TINJAUAN PUSTAKA 2

METODE 8

Waktu dan Tempat Penelitian 8

Alat dan Bahan 8

Prosedur Analisis Data 8

HASIL DAN PEMBAHASAN 12

Parameter Lingkungan Greenhouse 12

Perpindahan Panas dan Kenaikan Suhu 13

Validasi Model Pindah Panas 15

Perencanaan Suhu Larutan Nutrisi di Posisi Inlet pada Pagi dan Siang Hari

untuk Budidaya Tanaman Selada 16

SIMPULAN DAN SARAN 18

Simpulan 18

Saran 18

DAFTAR PUSTAKA 18

LAMPIRAN 21

DAFTAR GAMBAR

1 Modified Standard Peak Greenhouse 5

2 Ilustrasi perpindahan panas pada dua dinding berbeda 8

3 Kotak media diinsulasi dengan styrofoam 9 4 Sistem irigasi dan drainase hidroponik 9 5 Perubahan radiasi matahari dan suhu di dalam dan di luar greenhouse

(14 Juli 2014) 11 6 Pindah panas pada masing-masing sisi kotak media 12 7 Perbedaan suhu pada setiap bagian pada proses perpindahan panas 12 8 Perbandingan pindah panas yang terjadi pada kotak media diinsulasi

dengan tidak diinsulasi 13

9 Energi panas yang disimpan atau dilepas pada daerah akar setiap 15 menit 14 10 Plot suhu larutan nutrisi daerah akar hasil pengukuran dan hasil simulasi 15

DAFTAR LAMPIRAN

1 Titik pengukuran suhu 22 2 Keterangan simbol-simbol rumus 23 3 Posisi kotak media terhadap mata angin 24 4 Sifat-sifat fisik air dan udara 25

1

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Greenhouse atau rumah tanaman merupakan lingkungan tumbuh tanaman

yang dirancang agar tanaman dapat tumbuh secara optimal. Di dalam greenhouse

tanaman terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan seperti

kecepatan angin dan curah hujan yang terlalu tinggi, serta hama dan penyakit. Di

dalam greenhouse, parameter lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan

tanaman, yaitu cahaya matahari, suhu udara, kelembapan udara, pasokan nutrisi,

kecepatan angin, dan konsentrasi karbondioksida dapat dikendalikan dengan lebih

mudah (Suhardiyanto 2009).

Struktur greenhouse berinteraksi dengan parameter iklim di lingkungan

greenhouse dan menciptakan iklim mikro di dalamnya yang berbeda dengan

parameter iklim di sekitar greenhouse dimana suhu udara di dalam greenhouse

cenderung lebih tinggi dibanding suhu udara di luar greenhouse (Suhardiyanto

2009). Hal ini dapat mengganggu pertumbuhan tanaman di dalam greenhouse.

Untuk mengatasi hal tersebut dilakukan metode-metode penurunan suhu di dalam

greenhouse salah satunya adalah zone cooling. Zone cooling adalah metode

penurunan suhu yang dilakukan pada daerah terbatas disekitar tanaman. Salah satu

cara yang dilakukan dalam metode zone cooling adalah pendinginan larutan nutrisi

pada budidaya tanaman secara hidroponik.

Pendinginan larutan nutrisi bertujuan untuk menjaga suhu daerah perakaran

tanaman cukup rendah walaupun suhu udara tinggi pada siang hari (Suhardiyanto

2009). Hal itu dilakukan dengan mendinginkan larutan nutrisi secara langsung

menggunakan unit pendingin lalu mengalirkannya ke dalam kotak yang dijadikan

media tanam. Perbedaan suhu antara lingkungan di dalam greenhouse dan media

tanam menimbulkan interaksi perpindahan panas secara konveksi dan konduksi.

Analisis termal perlu dilakukan pada root zone cooling media larutan nutrisi di

dalam kotak plastik dengan insulasi styrofoam yang memperlihatkan laju aliran

perpindahan panas karena perbedaan suhu dari beberapa bagian. Pemodelan

matematika dari analisis termal ini dapat digunakan lebih lanjut sebagai acuan

untuk menentukan input suhu larutan nutrisi sehingga menghasilkan suhu larutan

nutrisi di daerah perakaran sesuai dengan yang diperlukan oleh tanaman yang

dibudidayakan.

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melakukan analisis termal pada daerah

perakaran sistem hidroponik dengan pendinginan larutan nutrisi oleh unit pendingin

dan dialirkan ke kotak media tanam, melakukan validasi model pindah panas

melalui perbandingan simulasi dengan hasil pengukuran. Model pindah panas yang

dibangun kemudian digunakan untuk perencanaan suhu larutan nutrisi pada posisi

inlet untuk mendapatkan suhu daerah perakaran yang diharapkan pada budidaya

tanaman selada.

2

TINJAUAN PUSTAKA

Sistem Hidroponik dan Root Zone Cooling

Kultur hidroponik adalah metode penanaman tanaman tanpa menggunakan

media tumbuh dari tanah. Secara harafiah hidroponik berarti penanaman dalam air

yang mengandung campuran hara. Dalam praktek sekarang ini, hidroponik tidak

terlepas dari penggunaan media tumbuh lain yang bukan tanah sebagai penopang

pertumbuhan tanaman (Rosliani dan Sumarni 2005). Berbagai sistem hidroponik,

secara prinsip menyediakan dan mengalirkan larutan mineral sebagai nutrien bagi

tanaman, perlu formula larutan nutrien yang sangat tepat untuk budidaya secara

hidroponik. Menurut Rosliani dan Sumarni (2005), sistem hidroponik

dikelompokan menjadi dua, yaitu kultur substrat dan kultur air. Pada kultur substrat,

penanaman dilakukan menggunakan media tanam padat berpori sebagai tempat

dimana akar tanaman tumbuh. Media tanam yang digunakan dapat berupa media

organik, anorganik, atau campuran keduanya. Pada kultur air, penanaman dilakukan

tidak menggunakan media tanam atau media tumbuh, sehingga akar tanaman

tumbuh di dalam larutan nutrisi atau di udara. Kultur air dibagi menjadi tiga

kelompok, yaitu hidroponik larutan diam, hidroponik dengan larutan nutrisi yang

disirkulasikan, dan aeroponik. Sistem hidroponik yang digunakan pada penelitian

ini mengacu kepada larutan nutrisi yang mengalir dengan aliran yang pelan. Larutan

nutrisi yang terdapat di dalam suatu wadah dialiri hembusan gelembung udara agar

kandungan oksigen di dalam larutan nutrisi dapat memenuhi kebutuhan akar dan

pertumbuhan tanaman.

Daerah lingkungan sekitar tanaman sangat berpengaruh terhadap

pertumbuhan, yaitu daerah perakaran maupun daerah kanopi tanaman. Zone

cooling telah dikembangkan sebagai metode pendinginan di dalam greenhouse

untuk kondisi lingkungan panas dan lembab (Suhardiyanto 1994). Meskipun suhu

udara di dalam rumah tanaman tinggi, tetapi apabila suhu di daerah perakaran dapat

dipertahankan cukup rendah, maka pertumbuhan tanaman akan cukup baik. Dengan

demikian, energi yang diperlukan lebih sedikit jika dibandingkan dengan energi

untuk mendinginkan seluruh volume dalam rumah tanaman (Suhardiyanto 2009).

Menurut Delucia et al. (1992), peningkatan suhu akar dapat meningkatkan respirasi

akar dan memperlambat pertumbuhan daun rumput Andropogon gerardii, yang

memiliki suhu optimal pertumbuhan daun pada suhu akar 25 °C. Suhu akar yang

rendah, dapat menyebabkan serapan air atau nutrisi dari akar berkurang karena

penurunan transpor transmembran (Markhart et al. 1979). Disamping itu Davies

dan Volkenburgh (1983) menjelaskan bahwa penurunan suhu daerah akar juga

dapat menyebabkan tanaman mengalami gelaja stres dan layu yang disebabkan oleh

ketersediaan air akar menurun.

Wang dan Tachibana (1996) menjelaskan bahwa pertumbuhan akar, tingkat

pelebaran daun, kadar air di daun, laju fotosintesis, dan konsentrasi mineral daun

menurun drastis karena suhu pada zona perakaran yang tinggi. Dalam mengatasi

hal tersebut, root zone cooling dapat mengurangi stres tanaman pada saat suhu udara

tanaman cukup tinggi. Banyak faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan

kondisi lingkungan di dalam greenhouse yang menyebabkan suhu udara di dalam

greenhouse lebih tinggi dari udara sekitar greenhouse. Untuk itu beberapa metode

3

pendinginan daerah terbatas dikembangkan dengan tujuan untuk menghemat biaya

operasional dan memberikan lingkungan pertumbuhan optimum pada tanaman.

Metode pendinginan seperti evaporative cooling dengan mendistribusikan kabut air

sehingga dapat menurunkan suhu udara di dalam greenhouse. Namun hal tersebut

dapat meningkatan kelembaban di dalam greenhouse sehingga dapat memicu

berkembangbiaknya mikroorganisme dan jamur. Metode pendinginan daerah

terbatas contohnya yaitu root zone cooling dengan menjaga suhu daerah perakaran

dalam kondisi optimal. Metode ini sudah banyak dikembangkan untuk bermacam

tanaman.

Penelitian mengenai sayuran selada yang dilakukan oleh Marsh (1987)

menunjukkan bahwa temperatur akar yang lebih tinggi pada saat musim dingin

dapat menambah luasan daun. Wolfe (1991) juga menjelaskan bahwa penurunan

yang signifikan terhadap rasio luas daun terjadi pada beberapa jenis tanaman ketika

tumbuh dengan suhu yang lebih dingin. Untuk daerah subtropis, pada musim dingin

dimana suhu lingkungan berada pada titik yang relatif rendah, meningkatkan suhu

daerah akar memiliki dampak positif terhadap produktivitas tanaman yang

dipengaruhi oleh reduksi resistansi akar sehingga keseimbangan air tanaman terjaga

(Challa et al. 1995). Penelitian yang dilakukan pada sayuran selada di musim

dingin, Hicklenton dan Wolynetz (1987) menjelaskan bahwa dengan meningkatkan

suhu di daerah akar pada sistem hidroponik, menghasilkan peningkatan nilai luasan

daun, rasio luas daun, dan rasio berat daun yang diukur pada saat pemanenan.

Penjelasan dari beberapa penelitian tersebut, dapat diartikan bahwa pertumbuhan

tanaman dapat dioptimalkan dengan menjaga suhu daerah perakaran, baik itu

didinginkan atau dipanaskan untuk mencapai suhu akar yang optimal bagi

pertumbuhan tanaman. Untuk itu root zone cooling adalah cara yang tepat

dilakukan guna menciptakan pertumbuhan tanaman yang optimal ditengah suhu

lingkungan yang tinggi.

Greenhouse

Greenhouse adalah suatu bangunan untuk budidaya tanaman yang memiliki

struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya (Nelson 1978). Biasanya

budidaya tanaman dengan cara hidroponik dilakukan di dalam greenhouse karena

faktor lingkungan di dalam greenhouse lebih mudah dikendalikan sehingga dari

tanaman yang ditanam dengan sistem hidroponik mendapatkan pertumbuhan dan

produktivitas yang optimal. Pada awalnya greenhouse dirancang untuk wilayah

subtropis dengan empat musim. Dengan adanya greenhouse tanaman dapat hidup

sepanjang tahun meskipun suhu lingkungan di luar greenhouse sangat rendah.

Dengan kata lain, suhu di luar greenhouse lebih rendah dibandingkan suhu di dalam

greenhouse. Indonesia dengan iklim tropis, greenhouse berfungsi untuk melindungi

tanaman dari serangan hama, curah hujan, dan kecepatan angin yang tinggi.

Suhardiyanto (2009) menjelaskan bahwa struktur greenhouse berinteraksi

dengan parameter iklim di sekitar greenhouse dan menciptakan iklim mikro di

dalamnya yang berbeda dengan parameter iklim di sekitar greenhouse yang disebut

sebagai peristiwa greenhouse effect. Menurut Bot (1983), greenhouse effect

disebabkan oleh dua hal, yaitu: (1) pergerakan udara di dalam greenhouse yang

relatif sangat sedikit atau cenderung stagnan. Hal ini menyebabkan suhu udara di

4

dalam greenhouse cenderung lebih tinggi daripada di luar, dan (2) radiasi matahari

gelombang pendek yang masuk ke dalam greenhouse melalui atap dan dipantulkan

oleh lantai serta diubah menjadi radiasi gelombang panjang. Radiasi gelombang

panjang ini tidak dapat keluar dari greenhouse dan terperangkap di dalamnya.

Radiasi gelombang panjang yang terperangkap di dalam greenhouse menyebabkan

naiknya suhu udara di dalam greenhouse. Untuk mengatasi masalah tersebut, perlu

diperhatikan bentuk greenhouse maupun sirkulasi udara di dalamnya (Boutet dan

Terry 1987).

Adanya greenhouse effect maka rancangan greenhouse untuk daerah tropika

basah haruslah berbeda dengan greenhouse untuk daerah subtropis. Untuk kawasan

yang beriklim tropika basah seperti Indonesia konsep rumah tanaman dengan

umbrella effect dipandang lebih sesuai. Rumah tanaman lebih ditujukan untuk

melindungi tanaman dari hujan, angin, dan hama. Selain itu, rumah tanaman

dibangun untuk mengurangi intensitas radiasi matahari yang berlebihan,

mengurangi penguapan air dari daun dan media, serta memudahkan perawatan

tanaman (Suhardiyanto 2009). Menurut Suhardiyanto (2009), greenhouse dengan

tipe modified standard peak dengan bentangan satu atau lebih adalah tipe

greenhouse yang cocok digunakan di Indonesia. Tipe atapnya memungkinkan

bukaan ventilasi pada bubungan rumah tanaman dapat dibuat dengan mudah dan

strukturnya cukup stabil untuk menahan angin yang kencang.

Penentuan sudut kemiringan atap rumah tanaman di kawasan yang beriklim

subtropika mempertimbangkan sudut datang radiasi matahari pada atap rumah

tanaman sepanjang tahun. Kemiringan atap dan tinggi dinding merupakan faktor

penting yang menentukan kondisi termal di dalam greenhouse. Karena pada prinsip

dasarnya, suhu udara yang lebih tinggi memiliki masa jenis yang lebih ringan

dibandingkan dengan masa jenis suhu udara yang lebih rendah, maka udara yang

lebih panas akan naik dan berada pada bagian atas. Kemiringan atap disarankan

adalah berkisar 27° – 30°. Penentuan sudut kemiringan atap yang optimal perlu

mempertimbangkan radiasi matahari dan kecepatan angin di luar greenhouse

(Sumarni 2007).

Menurut Suhardiyanto (2009), bentuk modified standard peak greenhouse

merupakan modifikasi dari span roof atau standard peak greenhouse. Modifikasi

dilakukan terhadap bagian bubungan. Bentuk gable tidak lagi segitiga, karena atap

dibuat bersusun dua dengan bukaan ventilasi yang luas dan ditutup screen. Gambar

1 adalah modified standard peak greenhouse di laboratorium lapang Siswadhi

Soepardjo yang kembangkan dan dirancang oleh Herry Suhardiyanto. Bentuk atap

dengan bukaan seperti ini memungkinkan terjadinya ventilasi alamiah, walaupun

tidak ada angin yang bertiup. Aliran udara yang keluar melalui bukaan ventilasi di

bagian bubungan terjadi, karena perbedaan kerapatan udara. Agar perbedaan

kerapatan udara tersebut lebih besar maka rumah tanaman dibuat lebih tinggi dari

rata-rata tinggi rumah tanaman tipe standard peak. Hal ini sekaligus berarti bahwa

tipe ini sesuai untuk tanaman yang tinggi, seperti tomat, paprika, dan melon.

5

Tanaman Selada (Lactuca sativa L.)

Selada atau lettuce (Lactuca sativa L.) adalah tanaman sayuran daun yang

relatif banyak dikonsumsi di Indonesia, umumnya digunakan sebagai bahan untuk

membuat salad atau dimakan sebagai lalapan. Menurut United States Departement

of Agriculture (www.plants.usda.gov), selada termasuk kedalam kingdom Plantae,

subkingdom Tracheobionta, superdivision Spermatophyta, division Magnoliophyta,

class Magnoliopsida, subclass Asteridae, order Asterales, family

Asteraceae/Compositae, genus Lactuca L., dan species Lactuca sativa L.

Selada tumbuh baik pada temperatur harian 16 °C sampai 19 °C, temperatur

malam 7 °C sampai 10 °C, dan temperatur perakaran 19 °C sampai 24 °C

(Hicklenton dan Wolynetz 1987). Umur panen selada berbeda-beda tergantung

jenisnya. Umumnya selada dipanen pada saat luasan daunnya sudah memenuhi

permintaan pasar, karena selada adalah sayuran daun. Tanaman selada dapat

dikelompokan menjadi lima kelompok, yaitu: 1) head atau cabbage lettuce,

tanaman berbentuk padat seperti kubis; 2) romaine atau cos lettuce, panjang

tanaman sekitar 15 cm, tegak, dan daun yang luas bertangkai; 3) butterhead lettuce,

memiliki daun yang lunak dan lembut; 4) curled atau leaf lettuce, memiliki daun

yang berkerut-kerut dan renyah; dan 5) stem lettuce, memiliki batang yang lebih

besar dan merupakan bagian yang dikonsumsi.

Penelitian Terkait

Penelitian mengenai pendinginan daerah akar atau root zone cooling untuk

mendapatkan produktivitas optimal tanaman sudah banyak dikembangkan. Kwack

et al. (2013) melakukan penelitian mengenai pengaruh pendinginan daerah

perakaran terhadap pertumbuhan dan perkembangan tanaman paprika dengan

sistem hidroponik menggunakan media rockwool cube. Penelitian dilakukan pada

musim panas di daerah subtropis Korea. Pendinginan daerah akar dilakukan dengan

mengalirkan air yang telah didinginkan (17 °C) melalui pipa plastik, sehingga dapat

Gambar 1 Modified Standard Peak Greenhouse

6

menurunkan suhu daerah akar sebesar 3.6 °C. Dihasilkan bahwa tanaman paprika

yang didinginkan tersebut memiliki tingkat pertumbuhan akar dan pembungaan

yang lebih baik dan cepat dibandingkan dengan tanaman yang tidak diberikan

perlakuan root zone cooling.

Sumarni et al. (2013) melakukan penelitian mengenai pendinginan daerah

perakaran pada produksi tanaman benih kentang pada daerah dataran rendah tropika

basah dengan sistem aeroponik di dalam greenhouse. Suhu di daerah perakaran

dijaga dengan 4 perlakuan yaitu 10 °C, 15 °C, 20 °C, dan tanpa didinginkan. Dari

4 perlakuan tersebut didapatkan hasil bahwa produksi umbi kentang yang baik

yaitu dengan mendinginkan daerah perakara pada suhu 10 °C dengan rata-rata

jumlah umbi 14.85 umbi/tanaman.

Randiniaty (2007) melakukan penelitian mengenai analisis termal

pendinginan siang dan malam larutan nutrisi pada budidaya tanaman tomat dengan

sistem hidroponik NFT (Nutrient Film Technique). Perlakuan pendinginan di

daerah perakaran dilakukan dengan 3 cara yaitu dengan mendinginkan larutan

nutrisi pada malam hari, sepanjang hari, dan tidak didinginkan. Dari perlakuan

tersebut dihasilkan bahwa persentase petumbuhan terbesar yaitu pada pendinginan

larutan nutrisi di malam hari sebesar 93.9 % dibandingkan dengan pendinginan

larutan nutrisi sepanjang hari dan tidak didinginkan. Hal ini juga di perkuat dengan

hasil penelitian yang dilakukan oleh Muniarti (2008) dimana persentase

tanamannya yang tumbuh baik mencapai 100 %, karena pendinginan larutan nutrisi

pada malam hari menjadikan perbandingan suhu akar pada malam hari dengan

siang hari relatif jauh berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa pendinginan daerah

perakaran dengan suhu yang sesuai dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman

menuju nilai optimal.

Suhardiyanto et al (2007) telah melakukan penelitian mengenai analisis

pindah panas pada pendinginan dalam tanah untuk sistem hidroponik. Suhu larutan

nutrisi diturunkan dengan memanfaatkan keadaan bawah tanah dengan suhu yang

lebih rendah. Kemudian larutan nutrisi tersebut didistribusikan ke daerah akar

tanaman. Dari hasil penelitian ini dihasilkan bahwa terjadi peningkatan suhu larutan

nutrisi sepanjang perjalanannya dari tangki di dalam tanah ke daerah perakaran.

Suhu air yang keluar dari emitter pada jaringan irigasi tetes dengan penempatan

tangki di dalam tanah 0.1 °C sampai dengan 5.1 °C lebih rendah dibandingkan

dengan suhu air yang keluar dari emitter pada jaringan irigasi tetes dengan

penempatan tangki di atas tanah. Metode pendinginan dengan efek lingkungan

dalam tanah dapat digunakan untuk zone cooling dengan menempatkan tangki

larutan nutrisi di kedalaman tertentu sehingga dapat menghemat penggunaan energi

untuk mendinginkan larutan nutrisi.

Pindah Panas

Perpindahan panas didefinisikan sebagai perpindahan energi dari suatu

daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda temperatur di daerah-daerah

tersebut (Kreith 1994). Pindah panas dapat terjadi secara radiasi, konveksi, dan

konduksi.

7

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:

𝑞𝑟= 𝜎𝜀𝐴𝑇𝑠4 (1)

dimana, qr adalah laju pindah panas secara radiasi (W/m2), σ adalah konstanta

Stefan-Boltzmann, 5.67 x 10-8 (W/m2.K4).

Konveksi

Konveksi yaitu proses perpindahan panas karena kontak antara suatu

permukaan dengan fluida mengalir (Kothandaraman 2006). Laju perpindahan panas

konveksi dinyatakan berdasarkan hukum Newton:

𝑞𝑘𝑜𝑛𝑣𝑒𝑘𝑠𝑖 = ℎ 𝐴 (𝑇𝑠 − 𝑇~) (2)

dimana, qkonveksi adalah laju pindah panas secara konveksi (W/m2), h adalah

koefisien pindah panas konveksi (W/m2 °C), Ts adalah temperatur permukaan

bidang (°C), dan (𝑇~) adalah temperatur pada jarak tertentu dari permukaan bidang

(°C).

Konduksi

Konduksi adalah transmisi panas melalui padatan, gas, cairan, atau diantara

objek yang sama dan bersentuhan langsung. Perpindahan panas konduksi mengalir

dari suhu yang lebih tinggi (Holman 2010). Besarnya laju aliran panas dengan cara

konduksi suatu bahan dinyatakan dengan menggunakan hukum Fourier:

𝑞𝑘𝑜𝑛𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖 = −𝑘 𝐴 (Δ𝑇

Δ𝑥) = 𝑘 𝐴

𝑇1−𝑇2

Δ𝑥 (3)

dimana, qkonduksi adalah laju pindah panas secara konduksi (W/m2), A adalah luas

penampang suatu bidang (m2) dan ΔT adalah perubahan suhu diantara dua

permukaan (°C).

Perpindahan panas secara mantap yaitu perpindahan panas yang tidak terjadi

perubahan suhu terhadap waktu. Bila dinding yang dilewati energi panas terdiri dari

dua dinding dengan bahan yang berbeda seperti Gambar 2, maka laju perpindahan

panas per satuan luas penampang dapat diturunkan sebagai berikut (Kamil dan

Pawito 1983):

𝑞1−𝑝 = 𝑘1 {(𝑇1−𝑇2)

∆𝑥1} (4)

𝑞𝑝−2 = 𝑘2 {(𝑇𝑝−𝑇2)

∆𝑥2} (5)

8

Dari persamaan (4) dan (5) didapatkan laju aliran panas dari titik satu ke titik

dua sebagai berikut:

𝑞1−2 =𝑇1−𝑇2

(∆𝑥1𝑘1

)+(∆𝑥2𝑘2

) (6)

METODE

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di rumah tanaman atau greenhouse laboratorium

lapang Siswadi Soepardjo dan laboratorium Elektrifikasi Pertanian, Departemen

Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian

Bogor sejak April 2014 sampai dengan Juli 2014. Pengambilan data dilakukan pada

tanggal 14 Juli 2014.

Alat dan Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah air. Alat yang digunakan

dalam penelitian ini adalah pompa air, pipa PVC, aerator, chiller, hybrid recorder,

thermocouple, automatic weather station, thermal conductivity meter, timbangan

digital, thermometer, kotak plastik, styrofoam, PC, alat tulis, dan peralatan

perbengkelan.

Prosedur Analisis Data

Analisis termal dilakukan terhadap kotak media tanam daerah perakaran

tanaman selada yang dibudidayakan secara hidroponik larutan nutrisi. Dalam

penelitian ini diambil beberapa asumsi, yaitu: (1) sifat fisik larutan nutrisi sama

Gambar 2 Ilustrasi perpindahan panas

pada dua dinding berbeda

9

Gambar 4 Sistem irigasi dan drainase sistem hidroponik

dengan air; (2) pindah panas yang terjadi melalui proses konveksi dan konduksi

dengan batasan sistem adalah dinding terluar dari insulasi wadah media tanam; dan

(3) tidak ada pengaruh dari udara yang dihasilkan oleh aerator dalam larutan nutrisi

terhadap pindah panas yang terjadi pada sistem.

Wadah larutan nutrisi adalah kotak plastik dengan ukuran panjang, lebar, dan

tingginya adalah 74 cm, 51 cm, dan 40 cm yang diinsulasi dengan styrofoam setebal

2 cm seperti pada Gambar 3. Larutan nutrisi didinginkan menggunakan chiller

dialirkan ke dalam kotak media tanam. Terdapat 16 lubang output dari pipa sebagai

input larutan nutrisi di dalam kotak media tanam, seperti yang ditunjukan pada

Lampiran 1. Pada ketinggian 39 cm dari dasar kotak, kotak dilubangi sebagai

limpasan dari larutan nutrisi (output) sehingga larutan nutrisi kembali ke tangki

larutan nutrisi dan didinginkan lagi oleh chiller. Di dalam kotak media dipasangkan

aerator untuk menyediakan kebutuhan oksigen. Aliran larutan nutrisi pada sistem

hidroponik ditunjukan pada Gambar 4.

Pengukuran suhu dilakukan menggunakan termocouple pada titik-titik yang

diperlihatkan pada Lampiran 1. Pengukuran dimulai dari jam 07.00 WIB sampai

jam 17.00 WIB. Suhu yang dibaca oleh termocouple direkam oleh data logger

setiap 10 detik. Radiasi, suhu greenhouse dan luar greenhouse, serta kelembaban

diukur menggunakan automatic weather station setiap 30 menit.

Gambar 3 Kotak media diinsulasi dengan

styrofoam

10

Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan

konveksi pada kondisi mantap akan menghasilkan suatu tahanan termal (Çangel

2003). Total tahanan termal adalah sebagai berikut:

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 (7)

dimana, R1 adalah tahanan termal karena pindah panas konveksi antara udara di

dalam greenhouse dengan permukaan luar insulasi, R2 adalah tahanan termal karena

pindah panas konduksi pada insulasi styrofoam, R3 adalah tahanan termal karena

pindah panas konduksi pada dinding kotak plastik, dan R4 adalah tahanan termal

karena pindah panas konveksi antara fluida di dalam media dengan dinding dalam

media. Penelitian ini membatasi sistem sampai dengan permukaan luar insulasi

dengan nilai konduktifitas termal dan ketebalan yang berbeda dengan dinding kotak

media, sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut:

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =1

ℎ𝑢𝐴+

𝑥1

𝑘1𝐴+

𝑥2

𝑘2𝐴+

1

ℎ𝑎𝐴 (8)

Laju dari perpindahan panas yang terjadi dihitung dengan persamaan berikut:

𝑄𝑡 =𝛥𝑇

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (9)

𝑄𝑡 =(𝑇𝑢−𝑇𝑎)

1

ℎ𝑢𝐴+

𝑥1𝑘1𝐴

+𝑥2

𝑘2𝐴+

1

ℎ𝑎𝐴

(10)

Nilai konveksi yang terjadi antara udara di dalam greenhouse dengan

permukaan luar media tanam dapat dihitung dengan persamaan:

𝐿𝑐 =𝐴𝑏

𝐾 (11)

𝑇𝑓 =𝑇𝑢+𝑇𝑠𝑡𝑦

2 (12)

𝛽 =1

𝑇𝑓 (13)

Bilangan Grasolf dan Prandtl didapatkan dari persamaan berikut:

𝐺𝑟𝑃𝑟 =𝑔𝛽(𝑇𝑠𝑡𝑦−𝑇𝑢)𝐿𝑐3

𝑣2× 𝑃𝑟 (14)

Bilangan Nusselt untuk dinding vertikal (sisi bagian depan, belakang, kanan, dan

kiri):

𝑁𝑢 = 0.555 × 𝐺𝑟𝑃𝑟0.25 (15)

11

Bilangan Nusselt untuk sisi atas:

𝑁𝑢 = 0.27 × 𝐺𝑟𝑃𝑟0.25 (16)

Bilangan Nusselt untuk sisi bawah:

𝑁𝑢 = 0.54 × 𝐺𝑟𝑃𝑟0.25 (17)

Maka, nilai konveksinya yaitu:

ℎ𝑢 =𝑁𝑢

𝐿𝑐× 𝑘 (18)

Untuk menghitung nilai konveksi yang terjadi antara fluida di dalam kotak

media dengan permukaan dalam kotak media, dapat dihitung menghitung bilangan

Reynold dan Nusselt terlebih dahulu.

𝑅𝑒 =𝑣𝑠𝐿

𝑣 (19)

𝑁𝑢 = 0.332 𝑅𝑒0.5 𝑃𝑟0.33 ; 0.6 < Pr < 50 (20)

ℎ𝑎 =𝑁𝑢

𝐷𝑘 (21)

Secara sederhana, di dalam hukum termodinamika dapat dituliskan bahwa:

𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑄𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒𝑑 (22)

Suhu pada larutan nutrisi mengalami fluktuasi, sehingga larutan nutrisi dapat

melepas atau menyimpan panas, dimana dapat dihitung dengan persamaan:

𝑄𝑠 = 𝑚 𝐶𝑝 (𝑇𝑛+1 − 𝑇𝑛) (23)

Air yang mengalir pada kotak media menyimpan panas dengan persamaan

sebagai berikut:

𝑄 = ṁ 𝐶𝑝 𝛥𝑇 (24)

Dari persamaan di atas dapat dikembangkan sebuah persamaan sebagai

berikut:

ṁ 𝐶𝑝 (𝑇𝑎 − 𝑇𝑖) = (𝑇𝑢−𝑇𝑎)

1

ℎ𝑢𝐴+

𝑥1𝑘1𝐴

+𝑥2

𝑘2𝐴+

1

ℎ𝑎𝐴

(25)

𝑇𝑖 =𝑇𝑎(𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙ṁ𝐶𝑝)−𝑇𝑢

𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙ṁ𝐶𝑝 (26)

12

HASIL DAN PEMBAHASAN

Parameter Lingkungan Greenhouse

Pengambilan data dilakukan pada tanggal 14 Juli 2014 dari jam 07.00 WIB

sampai jam 17.00 WIB. Sekitar jam 12.30 WIB merupakan radiasi matahari

tertinggi dengan nilai 817 W/m2 dan terendah 32 W/m2 pada jam 17.00 WIB. Suhu

udara tertinggi di luar greenhouse mencapai 33.0 °C pada jam 13.30 WIB

sedangkan suhu terendah sebesar 21.0 °C pada jam 07.00 WIB. Suhu udara di dalam

greenhouse mencapai angka tertinggi pada jam 14.00 WIB yaitu 35.0 °C dan

terendah pada jam 07.00 WIB yaitu 21.4 °C. Perbedaan rata-rata dari suhu udara di

dalam greenhouse dengan suhu udara di luar greenhouse adalah 1.4 °C. Hasil

pengukuran disajikan ke dalam Gambar 4.

Bot (1983) di dalam Suhardiyanto (2009) menjelaskan bahwa suhu udara di

dalam greenhouse lebih tinggi dari suhu di luar greenhouse disebabkan oleh

pergerakan udara di dalam greenhouse relatif stagnan karena strukturnya yang

tertutup dan laju pertukaran udara di dalam greenhouse dengan lingkungan sangat

kecil. Disamping itu, penyebab suhu udara di dalam greenhouse lebih tinggi

daripada di luar greenhouse adalah radiasi matahari gelombang pendek yang masuk

ke dalam greenhouse melalui atap dan dipantulkan oleh lantai kemudian diubah

menjadi radiasi gelombang panjang. Radiasi gelombang panjang ini tidak dapat

keluar dari greenhouse dan terperangkap di dalamnya, sehingga suhu udara di

dalam greenhouse lebih tinggi daripada suhu udara di luar greenhouse yang juga

dikenal dengan istilah greenhouse effect.

Gambar 5 Perubahan radiasi matahari dan suhu di dalam dan di luar greenhouse

(14 Juli 2014)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

10

15

20

25

30

35

40

7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Rad

iasi

Mat

ahar

i (W

/m²)

Suhu (

°C)

Waktu Setempat (WIB)

Suhu Udara di Dalam Greenhouse Suhu Udara di Luar Greenhouse

Radiasi Matahari

Greenhouse Greenhouse

13

Perpindahan Panas dan Kenaikan Suhu

Perhitungan pindah panas dilakukan pada masing-masing dinding kotak

media sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6. Posisi sisi-sisi dinding kotak

terhadap mata angin dapat dilihat pada Lampiran 3. Berdasarkan Gambar 6 dapat

dilihat bahwa terdapat perbedaan nilai pindah panas pada setiap dinding. Pindah

panas tertinggi terjadi pada dinding kotak media pada bagian atas. Perbedaan

pindah panas yang terjadi pada masing-masing dinding ini disebabkan oleh posisi

yang berbeda terhadap paparan sinar matahari sehingga perbedaan nilai konveksi

yang terjadi antara dinding luar insulasi dengan udara di dalam greenhouse.

Gambar 7 Perbedaan suhu pada setiap bagian pada proses perpindahan panas

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Suhu (

°C)

Waktu Setempat (WIB)

Suhu Udara Suhu Permukaan Luar Styrofoam

Suhu Permukaan Dalam Media Suhu Larutan Nutrisi di Dalam Media

Suhu Larutan Nutrisi Input

Gambar 6 Pindah panas pada masing-masing sisi kotak media

0

2

4

6

8

10

12

14

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

Per

pin

dah

an P

anas

(W

)

Waktu Setempat (WIB)

Depan

Belakang

Kanan

Kiri

Atas

Bawah

Rata-rata

Styrofoam

Daerah Akar

14

Perhitungan laju pindah panas ini dilakukan pada saat pengukuran dengan

debit aliran 0.000035 m3/s dimana debit input ke media kotak dan output keluar

media kotak sama. Dengan demikian dapat dianggap bahwa tidak ada penurunan

tekanan di dalam media kotak. Penurunan tekanan pada dasarnya selalu terjadi

karena adanya headloss, akan tetapi hal itu dapat diabaikan karena sangat kecil

sehingga dapat diasumsikan bahwa aliran mantap.

Suhu air yang didinginkan dan terdapat di dalam kotak media jauh lebih

rendah dibandingkan dengan suhu udara greenhouse. Karena ada perbedaan suhu

tersebut maka terjadi perpindahan panas sehingga suhu udara greenhouse yang

lebih tinggi melepaskan kalor kepada air di dalam kotak media melalui dinding

kotak media. Insulasi pada kotak media diberikan bertujuan untuk menghambat laju

perpindahan panas tersebut. Pada Gambar 7 dapat dilihat perbedaan suhu antara air

di dalam kotak media dengan suhu di luar kotak media tetap terjaga pada kisaran

12 °C. Hal ini menunjukkan bahwa insulasi dapat menghambat perpindahan panas

dengan baik.

Nilai konduktivitas termal dari suatu bahan berpengaruh terhadap besarnya

perpindahan panas yang terjadi akibat perbedaan temperatur. Besaran perpindahan

panas yang dihantarkan oleh suatu media atau bahan sebanding dengan nilai

konduktivitas termal media atau bahan tersebut. Gambar 8 menunjukkan perbedaan

perpindahan panas yang terjadi antara kotak media tanam yang diberi insulasi

styrofoam dengan yang tidak diberi insulasi. Perbedaan pindah panas terbesar yaitu

136.8 W/m2 pada jam 13.45 WIB dan perbedaan pindah panas terkecil yaitu 23.4

W/m2 pada jam 07.00 WIB, sedangkan rata-rata perbedaan pindah panas yaitu 107

W/m2. Styrofoam yang memiliki nilai konduktivitas termal yang relatif rendah

dapat mengurangi perpindahan panas dari lingkungan mikro greenhouse dengan

larutan nutrisi.

Gambar 8 Perbandingan pindah panas yang terjadi pada kotak media diinsulasi

dengan tidak diinsulasi

0

20

40

60

80

100

120

140

160

7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Pin

dah

Pan

as (

W)

Waktu Setempat (WIB)

Tanpa Insulasi Diinsulasi

15

Fluktuasi suhu larutan nutrisi di dalam kotak media tanam relatif kecil yang

disajikan pada Gambar 7. Salah satunya disebabkan oleh berkurangnya persediaan

air di tangki yang didinginkan oleh unit pendingin ketika pengambilan data,

sehingga volume air yang didinginkan oleh unit pendingin lebih sedikit dan lebih

cepat dingin. Disamping itu juga, disebabkan oleh pengaruh perpindahan panas

yang dilepaskan oleh lingkungan mikro greenhouse terhadap larutan nutrisi di

dalam kotak media tanam. Gambar 9 menunjukan energi panas yang disimpan

ataupun dilepas oleh larutan nutrisi di daerah akar. Nilai negatif menunjukan bahwa

energi panas dilepaskan dari larutan nutrisi di daerah akar sehingga suhu di daerah

perakaran menurun. Hal ini dapat disebabkan oleh berkurangnya air pada tangki air

karena adanya kebocoran sambungan pipa sehingga air yang didinginkan oleh

chiller memiliki volume yang lebih kecil dan suhu yang lebih rendah sehingga

fluktuasi yang ditunjukan pada Gambar 9 cukup beragam.

Validasi Model Pindah Panas

Validasi model dilakukan untuk menguji kinerja model dalam memprediksi

parameter tertentu. Validasi model yang digunakan adalah metode analisis regresi

linear pada plot suhu hasil simulasi dengan suhu hasil pengukuran. Model dikatakan

akurat jika persamaan regresi linear tersebut memiliki intersep mendekati angka

nol sedangkan gradiennya mendekati angka satu.

Analisis regresi yang dapat dilihat pada Gambar 10 menunjukkan bahwa hasil

pemodelan yang dilakukan cukup baik karena memiliki nilai gradien garis regresi

yang mendekati satu yaitu 1.0175 dengan intersepnya mendekati nol yaitu -0.5563

dan memiliki nilai koefisien determinasi sebesar 0.8917.

Model pindah panas ini dikembangkan dengan asumsi bahwa udara

greenhouse yang kontak dengan semua permukaan luar insulasi sisi kotak media

Gambar 9 Energi panas yang disimpan atau dilepas pada daerah akar setiap

15 menit

-1600

-1100

-600

-100

400

900

1400

1900

7:00 9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Ener

gi

Pan

as (

kJ)

Waktu Setempat (WIB)

16

memiliki suhu yang sama dan bagian bawah kotak media tidak bersentuhan dengan

lantai greenhouse. Kekurangakuratan dari pemodelan ini mungkin disebabkan oleh

asumsi yang tidak sepenuhnya berlaku dan keterbatasan peralatan penelitian yaitu

pada saat pengambilan data terkadang air dari tangki yang didinginkan berkurang

karena adanya pengembunan dan sedikit kebocoran sambungan pada pipa-pipa

yang mengalirkan air sehingga air di dalam tangki harus ditambah dan

menyebabkan kenaikan suhu dari air input yang diberikan.

Namun secara keseluruhan model yang dibangun dapat dikategorikan sebagai

model yang handal dan mewakili sistem yang dianalisis. Dengan demikian, model

tersebut dapat digunakan untuk simulasi perencanaan suhu larutan nutrisi pada

posisi inlet ke dalam daerah perakaran.

Perencanaan Suhu Larutan Nutrisi di Posisi Inlet pada Pagi dan Siang Hari

untuk Budidaya Tanaman Selada

Perencanaan pendinginan larutan nutrisi untuk menentukan nilai suhu pada

titik input agar suhu larutan nutrisi pada daerah akar sesuai dengan suhu kebutuhan

tanaman selada. Posisi dari titik input yang telah ditentukan dapat dilihat pada

Lampiran 1. Menurut Hicklenton dan Wolynetz (1987), suhu akar yang optimal

untuk tanaman selada adalah 19 °C sampai 24 °C. Dalam perencanaan ini ditentukan

Gambar 10 Plot suhu larutan nutrisi daerah akar hasil pengukuran

dan hasil simulasi

y = 1,0175x - 0,5563

R² = 0,8917

14

15

16

17

18

19

20

21

22

14 15 16 17 18 19 20 21 22

Suhu L

aruta

n N

utr

isi

Pre

dik

si (

°C)

Suhu Larutan Nutrisi Pengukuran (°C)

17

nilai suhu larutan nutrisi di daerah akar selada atau suhu larutan nutrisi di dalam

kotak media yaitu 20 °C.

Suhu larutan nutrisi ditentukan untuk jam 08.00 WIB dan 14.00 WIB pada

saat suhu udara tertinggi. Pagi hari jam 8.00 WIB, suhu udara greenhouse yaitu

21.50 °C dan suhu permukaan dari insulasi styrofoam yaitu 23.40 °C, 21.80 °C,

22.80 °C, 23.00 °C, 23.20 °C, 22.70 °C untuk sisi-sisi bagian atas, bawah, kiri,

kanan, depan, dan belakang. Suhu permukaan dari kotak media yang tidak diberi

insulasi yaitu 22.78 °C, 20.80 °C, 20.78 °C, 20.78 °C, 21.01 °C, 17.60 °C untuk sisi-

sisi bagian atas, bawah, kiri, kanan, depan, dan belakang. Siang hari jam 14.00

WIB, suhu udara greenhouse yaitu 35 °C dan suhu permukaan dari insulasi terluar

yaitu 47.50 °C, 34.00 °C, 41.30 °C, 33.80 °C, 43.50 °C, 34.40 °C untuk sisi-sisi

bagian atas, bawah, kiri, kanan, depan, dan belakang. Suhu permukaan dari kotak

media yang tidak diinsulasi yaitu 24.30 °C, 20.30 °C, 20.41 °C, 20.41 °C, 20.52 °C,

19.62 °C untuk sisi-sisi bagian atas, bawah, kiri, kanan, depan, dan belakang. Untuk

penentuan posisi letak kotak media terhadap mata angin dapat dilihat pada

Lampiran 3. Debit aliran larutan nutrisi diatur sebesar 0.03526 l/s. Kotak plastik

ditetapkan memiliki ketebalan 2 mm dengan bahan insulasi styrofoam tebal 5 cm

dengan nilai konduktivitas termal 0.044 W/m°C. Kotak media memiliki panjang,

lebar, dan tinggi adalah 100 cm, 100 cm, dan 30 cm. Hasil perhitungan untuk

perencanaan menunjukkan bahwa pada jam 8.00 WIB, untuk mendapatkan suhu

larutan nutrisi di daerah perakaran sebesar 20 °C dibutuhkan nilai suhu larutan

nutrisi pada titik input sebesar 19.94 °C untuk kotak media yang diinsulasi

styrofoam dengan nilai perpindahan panas 5.05 Watt dan 18.82 °C untuk kotak

media yang tidak diinsulasi dengan nilai perpindahan panas 100.61 Watt. Perbedaan

suhu pada titik input sebesar 1.12 °C antara kotak yang diinsulasi dengan yang tidak

diinsulasi. Jam 14.00 WIB, untuk mendapatkan suhu larutan nutrisi di daerah

perakaran sebesar 20 °C dibutuhkan nilai suhu larutan nutrisi pada titik input

sebesar 19.85 °C untuk kotak media yang diinsulasi styrofoam dengan nilai pindah

panas sebesar 12.61 Watt dan 17.06 °C untuk kotak media yang tidak diinsulasi

dengan nilai pindah panas sebesar 250.60 Watt. Perbedaan suhu perencanaan di titik

input antara kotak yang diinsulasi dan tidak diinsulasi sebesar 2.79 °C menunjukan

bahwa insulasi cukup baik untuk menghambat perpindahan panas sehingga dapat

mengurangi beban pendinginan larutan nutrisi oleh unit pendingin.

Ketebalan dari insulasi berpengaruh terhadap perpindahan panas yang terjadi

dimana nilai perpindahan panas akan menurun untuk penambahan ketebalan

insulasi dan berlaku untuk sebaliknya. Namun hal ini perlu ditinjau lebih lanjut

karena menurut Çangel (2001), ketebalan insulasi memang akan meningkatkan

resistensi termal konduksi dari bahan insulasi, namun semakin tebal insulasi

tahanan termal konveksi akan menurun disebabkan oleh luas permukaan bagian

luar insulasi semakin besar yang berakibat kepada perpindahan panas secara

konveksi semakin besar juga.

18

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Berdasarkan analisis pindah panas didapatkan laju perpindahan panas untuk

sisi depan, belakang, kanan, kiri, atas dan bawah secara berturut-turut adalah 0.95,

0.98, 1.01, 1.02, 2.02, dan 0.64 W/m2. Dari hasil validasi menunjukkan bahwa

model pindah panas yang dikembangkan dapat digunakan dalam menentukan suhu

larutan nutrisi pada titik input untuk mendapatkan suhu larutan nutrisi di daerah

akar yang cocok pada budidaya tanaman sebagaimana ditunjukkan oleh nilai

gradien garis regresi yang mendekati satu yaitu 1.0175 dengan intersepnya

mendekati nol yaitu -0.5563 dan memiliki nilai koefisien determinasi sebesar

0.8917. Hasil perencanaan menunjukkan bahwa pada jam 8.00 WIB untuk

mendapatkan suhu larutan nutrisi pada daerah akar tanaman selada yaitu 20 °C,

maka suhu larutan nutrisi pada titik input yaitu 19.94 °C untuk kotak media yang

diinsulasi styrofoam dengan nilai pindah panas yaitu 5.05 Watt dan 18.82 °C untuk

kotak media yang tidak diinsulasi dengan nilai pindah panas yaitu 100.61 Watt.

Pada jam 14.00 WIB, untuk mendapatkan suhu larutan nutrisi sebesar 20 °C pada

daerah akar tanaman selada, suhu larutan nutrisi pada titik input yaitu 17.06 °C

untuk kotak media yang tidak diberi insulasi dengan nilai pindah panas yaitu 250.60

Watt dan 19.85 °C untuk kotak media yang diberi insulasi styrofoam tebal 5 cm

dengan nilai pindah panas yaitu12.61 Watt. Perbedaan sebesar 2.79 °C menunjukan

bahwa insulasi cukup baik untuk menghambat perpindahan panas sehingga dapat

mengurangi beban pendinginan larutan nutrisi oleh unit pendingin.

Saran

Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menganalisis pindah panas

dimulai dari suhu larutan nutrisi di dalam tangki hingga larutan nutrisi sampai pada

daerah akar tanaman sehingga dapat prediksi suhu larutan nutrisi di dalam tangki

agar suhu di daerah akar dapat dilakukan sesuai dengan suhu yang dibutuhkan oleh

tanaman. Disamping itu, berdasarkan hasil simulasi ketebalan dari insulasi yang

lebih besar dapat menghambat laju perpindahan panas pada nilai namun harus

dipertimbangkan bahwa seiring dengan kenaikan nilai ketebalan tersebut justru

menurunkan resistansi termal konveksi akibat luasan permukaan konveksi

bertambah besar.

DAFTAR PUSTAKA

Çangel Yunus A. 2003. Heat Transfer: A Practical Approach Second Edition. New

York (US): McGraw-Hill Company, Inc.

Çengel YA, Turner RH. 2001. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. New York

(US): McGraw-Hill Company, Inc.

19

Bot GPA. 1983. Greenhouse climate: from physical processes to a dynamic model

[disertasi]. Wageningen (NL): Eageningen University.

Boutet, Terry S. 1987. Controlling Air Movement – A Manual for Archiyects and

Builders. New York (US): McGraw Hill Book Co.

Challa HE, Heuvelink, Can MU. 1995. Crop growth and development. Di dalam:

Bakker JC, Bot GPA, Challa H, van de Braak NJ, editor. Greenhouse Climate

Control. Netherlands (NL): Wagening Pers. hlm 62-84.

Choerunnisa Nurul. 2013. Analisis pindah panas pada pipa utama sistem hidroponik

substrat dengan pendinginan larutan nutrisi [skripsi]. Bogor (ID): Institut

Pertanian Bogor.

Davies WJ, Van Volkenburgh E. 1983. The influence of water deficit on the factors

controling the daily pattern of growth of Phaseolus trifoliates. Journal of

Experimental Botany. 34(8):987-999.doi:10.1093/jxb/34.8.987

De Lucia EH, Heckathorn SA, Day TA. 1992. effect of soil temperature on growth,

biomass allocation and resource acquisition of Andropogon gerardii Vitman.

New Phytologist. 120(4):543-549.doi:10.1111/j.1469-8137.1992.tb01804.x.

Hicklenton PR, Wolynetz MS. 1987. Influence of light and dark period air

temperature and root temperature on growth of lettuce in nutrient flow

systems. Journal of American Society for Horticultural Science. 112(6):932-

935.

Holman JP. 2010. Heat Transfer Tenth Edition. New York (US): MCGraw-Hill

Company, Inc.

Kamil S, Pawito. 1983. Termodinamika dan Pindah Panas. Jakarta (ID):

Departemen Pendidikan dan Kebudayaan

Kreith F. 1994. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Priyono, penerjemah. Jakarta

(ID): Airlangga.

Kothandaraman C.P. 2006. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. New Delhi

(IN): New Age International Publishers.

Kwack Y, Kim DS, Chun C. 2013. Root-zone cooling affects growth and

development of paprika transplants grow in rockwool cubes. Horticultural

Environment Biotechnol. 55(1):14-18.doi:10.1007/s13580-014-0117-3

Markhart AH, Fiscus EL, Naylor AW, Kramer PJ. 1979. Effect of temperature on

water and ion transport in soybean an broccoli systems. Plant Physiology.

64(1):83-87.

Marsh LS. 1987. A model of greenhouse hydroponic lettuce production: daily

selection of optimum air temperatur and comparison of greenhouse covers

[disertasi]. Ithaca (NY): Cornell University.

Mastalerz JW. 1977. The Greenhouse Environment “The Effect of Environmental

Factors on the Growth and Development of Flowers Crops”. New York

(USA): John Wiley & Sons, Inc.

Murniati E. 2008. Analisis pindah panas pendinginan larutan nutrisi pada budidaya

tanaman tomat (Lycopersicum esculentum Mill) dengan sistem Nutrient Film

Technique (NFT) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor

Nelson PV. 1978. Greenhouse Operation and Management. Virginia (US): Reston

Publ. Co. Inc.

Randiniaty Y. 2007. Analisis termal pendinginan siang/malam (day/night cooling)

larutan nutrisi pada budidaya tanaman tomat (Licopersicum esculentum Mill)

20

dengan sistem Nutrient Film Technique (NFT) [skripsi]. Bogor (ID): Institut

Pertanian Bogor.

Rosliani R, Sumarni N. 2005. Budidaya Tanaman Sayuran dengan Sistem

Hidroponik. Bandung (ID): Balai Penelitian Tanaman Sayuran.

Suhardiyanto H. 1994. Studies on zone cooling method for greenhouse culture

[disertasi]. Japan (JP): Ehime University.

Suhardiyanto H.2009. Teknologi Rumah Tanaman Untuk Iklim Tropika Basah.

Bogor (ID): IPB Pr.

Suhardiyanto H, Fuadi MM, Widaningrum Y. 2007. Analisis pindah panas pada

pendinginan dalam tanah untuk sistem hidroponik. Jurnal Keteknikan

Pertanian. 21(4): 355-361.

Sumarni E. 2007. Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding pada Rumah Kaca di

Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG) [tesis]. Bogor (ID): IPB.

Sumarni E, Suhardiyanto H, Seminar KB, Saptomo SK. 2013. Pendinginan Zona

Perakaran (Root Zone Cooling) pada Produksi Benih Kentang Menggunakan

Sistem Aeroponik. Jurnal Agronomi Indonesia. 41(2): 154-159.

Syam SZ. 1995. Karakteristik termal zona perakaran tanaman salada (Lactuca

sativa L.) pada sistem Nutrient Film Technique (NFT) dengan sirkulasi

larutan nutrisi secara berkala [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.

Wang YH, Tachiban S. 1996. Growth and mineral nutrition of cucumber seedlings

as affected by elevated air and root-zone temperature. Journal of Japanese

Society for Horticultural Science. 64(4):845-852.doi:10.2503/jjshs.64.845.

Wolf DW. 1991. Low temperature effects on early vegetative growth, leaf gas

exchange and water potential of chilling-sensitive and chilling-tolerant crop

species. Annals of Botany. 67(3):205-212.

21

Lampiran

22

Lampiran 1 Titik pengukuran suhu

`

Tampak sisi kanan

Keterangan:

1. Titik input larutan nutrisi

2. Permukaan dalam kotak media sisi depan

3. Permukaan luar insulasi sisi depan

4. Permukaan dalam kotak media sisi belakang

5. Permukaan luar insulasi sisi belakang

6. Permukaan dalam kotak media sisi kanan

7. Permukaan luar insulasi sisi kanan

8. Permukaan dalam kotak media sisi kiri

9. Permukaan luar insulasi sisi kiri

10. Permukaan dalam kotak media sisi atas

11. Permukaan luar insulasi sisi atas

12. Permukaan dalam kotak media sisi bawah

13. Permukaan luar insulasi sisi bawah

14. Suhu larutan nutrisi di dalam kotak media (daerah akar)

1 1 1 1 1 1 1 1

2

3

4

5

6 7

8

9

11

10

12

10

13

14

14 10 11

12

13 7

8

6

9

Tampak sisi atas

Penampang pipa di dalam

kotak media

23

Lampiran 2 Keterangan simbol-simbol rumus

R = Tahanan termal (°C/Watt)

Qt = Pindah panas total (Watt)

Q = Pindah panas (Watt)

Tu = Suhu udara di dalam greenhouse (°C)

Ta = Suhu daerah perakaran (°C)

A = Luas dinding media (m2)

X2 = Ketebalan kotak media plastik (m)

K1 = Konduktivitas termal styrofoam (W/m°C)

K2 = Konduktivitas termal kotak media plastik (W/m°C)

Lc = Keliling total terbasahi (m)

Ab = Luas penampang terbasahi (m2)

K = Keliling terbasahi (m)

Tf = Suhu rata-rata udara greenhouse dan permukaan styrofoam (°C)

GrPr = Bilangan Grasoft Prandtl

v = Viskositas dinamik (m2/s)

Nu = Bilangan Nusselt

D = Diagonal penampang aliran (m)

k = Konduktivitas ermal (W/m°C)

Re = Bilangan Reynold

vs = Kecepatan aliran (m/s)

L = Panjang aliran (m)

Pr = Bilangan Prandtl

Qin = Panas yang masuk ke sistem (Watt)

Qout = Panas yang keluar sistem (Watt)

Qstored = Panas yang disimpan sistem (Watt)

Qs = Panas yang disimpan oleh larutan nutrisi daerah akar (Joule)

Cp = Panas spesifik fluida (J/kg°C)

Tn+1 = Suhu larutan nutrisi pada menit ke-0 (°C)

T1 = Suhu larutan nutrisi pada menit ke-15 (°C)

hu = Nilai konveksi udara di dalam greenhouse dengan kotak media/insulasi

(W/m2°C)

ha = Nilai konveksi fluida di dalam kotak media dengan permukaan dalam

kotak media (W/m2°C)

24

Lampiran 3 Posisi kotak media terhadap mata angin

Keterangan:

1. Sisi bagian depan

2. Sisi bagian belakang

3. Sisi bagian kanan

4. Sisi bagian kiri

5. Sisi bagian atas

6. Sisi bagian bawah

T

B

1

4 2

3 5

6

25

Lampiran 4 Sifat-sifat fisik air dan udara

Sifat fisik air

Suhu

(oC)

Volume

spesifik

(kg m-3)

Kalor jenis

(J kg-1 oC-1)

Konduktivitas

termal

(W m-1 oC-1)

Viskositas

dinamik

(kg m-1 s-1)

Bilangan

Prandtl

5

10

15

20

25

30

35

999.9

999.7

999.1

998.0

997.0

996.0

994.0

4205

4194

4185

4182

4180

4178

4178

0.571

0.580

0.589

0.598

0.607

0.615

0.623

1.519 x 10-3

1.307 x 10-3

1.138 x 10-3

1.002 x 10-3

0.891 x 10-3

0.798 x 10-3

0.720 x 10-3

11.20

9.45

8.09

7.01

6.14

5.42

4.83

Sumber : Çangel dan Turner (2001)

Sifat fisik udara

Suhu

(oC)

Volume

spesifik

(kg m-3)

Kalor jenis

(J kg-1 oC-1)

Konduktivitas

termal

(W m-1 oC-1)

Viskositas

dinamik

(kg m-1 s-1)

Bilangan

Prandtl

15

20

25

30

35

40

45

50

1.225

1.204

1.184

1.164

1.145

1.127

1.109

1.092

1007

1007

1007

1007

1007

1007

1007

1007

0.02476

0.02514

0.02551

0.02588

0.02625

0.02662

0.02699

0.02735

0.00001802

0.00001825

0.00001849

0.00001872

0.00001895

0.00001918

0.00001941

0.00001963

0.7323

0.7309

0.7296

0.7282

0.7268

0.7255

0.7241

0.7228

26

RIWAYAT HIDUP

Penulis lahir di Padang, 13 Oktober 1992 dari ayah Sudirman dan ibu Solfia

Rina. Penulis merupakan anak kelima dari lima bersaudara. Menyelesaikan

pendidikan formal di SDN 34 Bukit Gonggang tahun 2004, SMPN 1 Pariaman

2007, SMAN 1 Pariaman 2010, dan kemudian melanjutkan pendidikan di

perguruan tinggi negeri Institut Pertanian Bogor sampai sekarang melalui jalur

Ujian Seleksi Masuk IPB (USMI) mengambil mayor Teknik Mesin dan Biosistem

di Fakultas Teknologi Pertanian.

Selama mengikuti perkuliahan, penulis senang mengikuti kegiatan dibidang

kebudayaan dan lingkungan. Penulis pernah mengikuti program Service Learning

Program organized by SUIJI (Six Universities Initiative Japan Indonesia).

Disamping itu juga penulis bersama anggota SUIJI lainnya sedang membangun

program Sekolah Sampah yang diperuntukan bagi siswa SD lingkar kampus dalam

upaya menanamkan rasa peduli terhadap lingkungan dan cara penanganan sampah

yang baik untuk menjaga lingkungan. Selain bergiat dibidang lingkungan, penulis

juga pernah mengikuti Youth Ecopreneurship Camp. organized by SUSI (Study of

the US Institute) dalam mengembangkan usaha yang berbasis eco-green.

Bulan Juni sampai Agustus 2013 penulis melaksanakan praktek lapang di

PT Perkebunan Nusantara IV unit kebun Pabatu, Sumatera Utara, dengan judul

Mempelajari Aspek Keteknikan pada Perkebunan Kelapa Sawit di Unit Usaha

Pabatu, PT Perkebunan Nusantara IV, Serdang Bedagai, Sumatera Utara. Untuk

memenuhi syarat kelulusan penulis sebagai sarjana, penulis melakukan penelitian

dengan judul Analisis Termal Daerah Perakaran pada Media Tanam Sistem

Hidroponik untuk Tanaman Selada di Dataran Rendah Tropika.