Analisis Sebaran Suhu dan Aliran Udara pada Mini Plant Factory untuk Pembibitan TSS Bawang Merah Menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD)

Abstract

Bawang merah merupakan salah satu komoditas bernilai tinggi di Indonesia. Penggunaan TSS (benih botani) bawang merah memiliki potensi untuk menjadi subtitusi penggunaan benih umbi. Namun, pembibitan TSS pada lahan konvensional memiliki kendala seperti daya tumbuh dan kualitas bibit yang dipengaruhi oleh iklim lingkungan. Penggunaan mini plant factory (MPF) dengan lingkungan terkendali dapat mengatasi kendala tersebut. Desain MPF yang tepat diperlukan untuk pengendalian lingkungan mikro seperti suhu, aliran udara, dan kelembapan relatif (RH). Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis beban termal dan pendinginan, sebaran suhu serta aliran udara di dalam perancangan MPF menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD). Tahapan penelitian terdiri dari pembuatan geometri MPF, pengukuran beban termal dan analisis beban pendinginan, analisis dan simulasi CFD, uji kinerja sebaran suhu dan udara, verifikasi dan validasi model serta rekomendasi perancangan MPF. Hasil analisis menunjukkan beban pendinginan MPF adalah 0,21 kW. Daya aktual pendinginan air conditioner berdasarkan pengukuran adalah 7,66 kWh. Nilai koefisien kinerja pendinginan (COP) adalah 0,7 W/W. Penggunaan lampu LED Growth memberikan kontribusi 81,96% pada beban pendinginan, selanjutnya berupa insulasi/dinding 13,1%, respirasi tanaman 1,4%, dan faktor kebocoran/buka-tutup berkontribusi sampai 3,54%. Kinerja MPF pada uji tanpa tanaman menunjukkan sebaran suhu di rentang 17-21°C, RH 56,4-99%, dan kecepatan udara 1,35-1,4 m/detik. Hasil analisis CFD dengan ukuran mesh 6 menunjukkan nilai MAPE suhu udara sebesar 0,95%, RH 4,23%, dan kecepatan udara 2,57% yang menunjukkan simulasi berhasil dilakukan dengan akurat. Interpretasi CFD menunjukkan diperlukan tambahan circulation fan pada bagian dasar untuk menyeragamkan sebaran suhu dan aliran udara pada desain MPF yang lebih optimal.

Shallots is one of the high-value commodities in Indonesia. However, using shallot bulbs as seed has its own issues, such as susceptibility to diseases and excessive seed requirements. The use of TSS (True Seed Shallot) as an alternative seed can address these problems. Nevertheless, conventional TSS germination faces challenges, including decreased shallot quality when harvested during the rainy season, plant quality affected by root temperature, as well as growth capability and seed resilience in climates and environmental temperatures. The implementation of mini plant factory (MPF) for TSS germination can mitigate these issues. This research aims to analyze cooling loads within the MPF to control the microenvironment for red onion TSS germination and to analyze and simulate temperature distribution, airflow, and relative humidity (RH) within the MPF using Computational Fluid Dynamics (CFD). The research stages are MPF preparation, MPF cooling power calculations, MPF geometry creation using computer-aided drawing (CAD), CFD simulation, verification, and validation through mesh independency study. The results indicate that the required cooling load for the MPF is 0.21 kW. The actual cooling load is 7.66 kWh. The coefficient of performance (COP) is 0,7 W/W. The LED Growth lights usage contributes 81.96% to the cooling load, followed by MPF insulation at 13.1%, plant respiration at 1.4%, and the MPF leakage/open-close factor (other disturbances) at 3.54%. The performance of the MPF in a test without plants shows an average temperature distribution of 17-21°C, RH of 56.4-99%, and airspeed of 1.35-1.4 m/s. The CFD analysis results with a mesh level of 6 indicate the MAPE value is 0.95% for air temperature, 4.23% for RH, and 2.57% for airspeed, which indicates that the simulation was successfully carried out accurately. Visual interpretation of the CFD shows the need for additional circulation fans at the bottom of the MPF to homogenize temperature distribution and airflow in a more optimal MPF design.