5

BAB II

LATAR BELAKANG TEORI

2.1 Kandang Sapi Model Tertutup

Kandang sapi tipe tertutup bertujuan untuk mengkondisikan kondisi di

dalam kandang akibat pengaruh dari lingkungan sekitar seperti radiasi panas

matahari, suhu udara panas dari sekitar bangunan kandang dan kondisi akibat

hujan sehingga tidak terlalu berpengaruh banyak pada kondisi di dalam kandang.

Pada kandang sapi model tertutup secara umum material penutup kandang yang di

gunakan sebagi dinding penutup adalah tembok dan atap berbahan seng. Untuk

sistem sirkulasi udara di gunakan bukaan ventilasi di bagian depan kandang dan

kipas buang di bagian belakang kandang untuk menyedot udara luar dari bukaan

ventilasi dan di alirkan sampai pada ujung belakang di kipas buang. Kandang sapi

dengan model tertutup di haruskan dapat semaksimal mungkin mengeluarkan

panas yang berlebih dan gas beracun yang di sebabkan veses dan urine.

Sistem ventilasi di kandang tertutup merupakan bagian yang penting untuk

di perhatikan karena berperan dalam sirkulasi udara dan proses penyerapan panas

akibat produksi panas sapi. Proses cara kerja dari kipas buang pada sistem

ventilasi udara di kandang tertutup di bagi menjadi dua cara yaitu menyedot dan

mendorong udara masuk ke dalam kandang sapi.Model kandang sapi tertutup

terdapat pada Gambar 2.1 di bawah ini

6

Gambar 2.1 Kandang sistem tertutup ( Dunlop, 2016 )

Unsur-unsur selain sistem ventilasi dan pendinginan yang perlu di

perhatikan dalam kandang sistem tertutup antara lain jenis kipas buang,

pencahayaan lampu, panel control dan elektrik. Semua unsur tersebut menjadi

satu kesatuan konsep global yang ada pada kandang tertutup.

2.2Panas Hasil Metabolisme Sapi Didalam Kandang

Panas hasil metabolisme adalah panas yang di hasilkan dari proses

fisiologis sapi itu sendiri yang di sebabkan oleh fakor – faktor antara lain adalah

banyak sedikitnya makanan yang di kosumsi, kondisi lingkungan sekitar dan

bobot badan sapi itu sendiri. Panas yang di hasilkan dari metabolisme tersebut

akan di lepaskan yang pada akhirnya sering di sebut panas laten dan panas.

Proses menurunya suhu panas yang terjadi pada lingkungan dalam

kandang akan meningkat dengan seiring menurunya berat bobot sapi sehingga

temperatur di dalam kandang akan menurun. Produksi panas hasil metabolisme

yang berkaitan dengan bobot sapi akan memperlihatkan menurunya kehilangan

panas. Pada sapi dengan bobot sapi 400 s/d 500 kilogram akan menghasilkan

panas 2 W/kg, lebih rendah di bandingkan domba dengan bobot 40 s/d 50

7

kilogram yang mengasilkan panas 3 s/d 4 W/kg dan hewan jenis unggas pada

bobot 2 kg akan menghasilkan panas 6 W/kg (Esmay and Dixon, 1986). Produksi

panas sapi akibat metabolisme dengan bobot sapi 455 kilogram pada beberapa

suhu yang terjadi dapat di lihat pada Tabel 2.1.

Pada Tabel 2.1 kenaikan suhu yang terjadi di dalam kandang secara tidak

langsung akan menurunkan total panas yang di hasilkan sapi dan akan

mempertahankan panas tubuh tersebut sesuai dengan lingkunganya.

Tabel 2.1 Hasil produksi metabolisme panas sapi perah (bobot 455 kg )

Suhu (ᴼC) Panas Laten (W) Panas sensibel (W) Total Panas (W)

4,45 278,5 766,6 1045

10 322,4 674 996

15,56 392,7 556,8 949

21,11 410,3 498,2 908

26,67 556,8 293,1 849

Sumber : Esmay and Dixon (1986)

Pengaruh suhu udara lebih tinggi dari suhu nyaman sapi akan

menyebabkan penambahan panas yang terjadi pada tubuh sapi sehingga akan

menyebabkan cekaman panas. Apabila suhu udara lebih rendah dari suhu nyaman

sapi itu sendiri maka akan terjadi proses kehilangan panas pada tubuh sapi.

Penambahan panas selain dari metabolisme panas sapi itu sendiri dapat di

sebabkan adanya panas radiasi matahari dan konveksi panas akibat material atap

kandang. Kondisi saat suhu udara yang terjadi di dalam kandang lebih tinggi dari

suhu nyaman jalur pelepasan panas adalah melakukan pertukaran panas dari jalur

permukaan kulit, fases, urine dan pernafasan.

8

2.3Kondisi Fisiologis Sapi Jenis Friesian Holstein

Sapi jenis Friesian Holstein telah tersebar banyak di berbagai wilayah di

dunia, karena memiliki produksi susu tertinggi di bandingkan dengan jenis sapi

perah lainnya dan memiliki kandungan lemak rendah.

Kondisi fisiologis tubuh sapi dapat menggambarkan produktifitas sebagai

respon terhadap lingkungan dan respon fungsional sapi akibat metabolisme tubuh

secara sitematis yang tujuanya adalah untuk meyeimbangkan fisiologis sapi

terhadapa lingkunganya. Pada penelitian yang di lakukan oleh sudono et al(2003)

produksi susu sapi jenis frisiean holstein di daerah tropis tidak terlalu berbeda

jauh dari daerah yang memililiki iklim subtropis apabila kondisi lingkungan

memiliki suhu 18 s/d 21 oC dan kelembaban udara mencapai 55 % dan akan

mengalami penurunan produksi susu apabila mencapai suhu 26 oC.

2.4 Pengaruh Kelembaban Dan Suhu Udara Terhadap Sapi Perah

Kelembaban dan suhu udara merupakan dua faktor yang mempengaruhi

produksi susu pada sapi perah, karena kondisi tersebut dapat menyebabkan

perubahan keseimbangan panas hasil metabolisme dalam tubuh ternak,

keseimbangan energi dan keseimbangan tingkah laku ternak. Berdasarkan Mc

Dowell (1974) menyatakan bahwa untuk kehidupan dan produksi susu padaternak

sangat membutuhkan suhu lingkungan yang sesuai dengan kondisi fisiologis sapi

itu sendiri sehingga tidak mengalami cekaman panas atau. Batas thermonetral

suhu nyaman untuk sapi Eropa berkisar pada suhu 17 – 21 ºC (Hafez, 1968 ); 13 –

18 ºC (McDowell, 1972); 5 – 25 ºC (Jones & Stalling , 1999). Bligh dan Johnson

(1985 ) telah membagi beberapa batas suhu lingkungan berdasar pada perubahan

9

produksi panas sapi yang terjadi, sehingga akan didapatkan kondisi suhu yang

nyaman bagi sapi perah, yaitu antara batas suhu minimum dan maksimum, dapat

di lihat pada Gambar 2.2 . Hubungan besaran suhu dan kelembapan udara atau

bisa di sebut Temperatur Hamudity Indexs yang berakibat dapat meningkatkan

stress padasapi perah. Hubungan tersebut dapat di lihat pada Tabel 2.2. Sapi perah

akan sangat nyaman ketika pada nilai Temperatur Hamudity Indexs di bawah 72,

dan apabila nilai THI melebihi 72 maka sapi perah akan mengalami cekaman

panas ringan , sedangkan THI di ( 80 ≤ THI ≤ 89 ) maka akan mengalami

cekaman panas sedang dan cekaman panas berat ( 90 ≤ THI ≤ 97 ) ( Wirema,1990

).

Gambar 2.2. Batasan suhu nyaman bagi ternak (Wirema, 1990)

Tabel 2.2. Indeks kelembaban relatif dan suhu sapi perah (Wierama, 1990)

10

Sapi jenis Frisiean Holstein akan memiliki produktifitas susu yang baik apabila

suhu lingkungan berada pada suhu 18 oC dengan memiliki kelembaban 55%.

Apabila suhu melebihi suhu tersebut, sapi perah akan melakukan penyesuaian diri

secara fisiologis dan secara tingkah laku. Peneyesuaian diri secara fisiologis

akibat cekaman panas akan berakibat pada menurunya produktifitas susu dan

kualitas susu, penurunan katabolisme dan metabolisme sapi, penurunan nafsu

makan, peningkatan kosumsi minum, peningkatan pelepasan panas tubuh sapi

melalui penguapan, peningkatan denyut jantung dan suhu tubuh pada sapi.

Cekaman panas yang terjadi dapat di reduksi dengan menurunkan suhu

tubuh sapi dan cara yang di gunakan untuk menurunkan suhu tubuh sapi dapat di

lakukan dengan memberi semprotan air pada tubuh sapi, memberi aliran udara

segar yang dapat menyerap panas tubuh sapi yang kemudian di keluarkan dari

kandang sapi sehingga produktifitas susu sapi dapat kembali meningkat.

2.5Perpindahan Panas Dan Massa Udara Dalam Kandang Sapi

Panas yang terjadi di dalam kandang dapat di peroleh dari panas hasil

metabolisme tubuh sapi, konveksi, radiasi dan kondisi di lingkungan sekitar

kandang sapi. Untuk proses perpindahan panas secara konduksi tersebut akan

melalui media dinding kandang dan atap bangunan, dari perpindahan panas

tersebut cepat rambat panas hasil konduksi di pengaruhi oleh material penyusun

dinding dan atap. Perpindahan panas secara konveksi di sebabkan oleh suhu

lingkungan luar kandang sapi yang lebih tinggi terbawa masuk akibat udara yang

mengalir dari luar kandang menuju ke dalam kandang dan pada akhirnya

menyebabkan suhu dalam kandang akan naik. Panas radiasi matahari dan

11

refleksinya akan memancarkan gelombang panjang dari permukaan bangunan dan

akan di terima oleh lingkungan sekitar bangunan kandang.

Akibat dari perpindahan panas konveksi, radiasi, konduksi yang terjadi

maka untuk menyetimbangkan agar suhu udara dalam kandang tetap terjaga di

perlukan massa udara yang mengalir untuk menyerap energi panas yang di

hasilkan dan kemudian di keluarkan melalui kipas buang. Jumlah massa udara

yang mengalir di pengaruhi dari bukaan ventilasi dan kecepatan udara yang

mengalir di dalam kandang. Semakin banyak massa udara yang bisa di alirkan ke

dalam kandang, maka untuk proses penyerapan panas dan menjaga suhu yang di

inginkan akan lebih mudah tercapai.

2.5.1 Perpindahan Panas Secara Radiasi

Perpindahan panas radiasi merupakan perpindahan panas yang terjadi

akibat dari kontak bendabertemperatur lebih tinggi dengan kontak benda yang

bertemperatur lebih rendah dengan melaluiperantara gelombang

elektromagnetik.Lain halnya dengan konduksi dan konveksi bahwa perpindahan

panas radiasi tidak memerlukan media dan lebih efisien dalam ruang

hampa.Jumlah dari energi yang mengalir ke suatu permukaan sebagai energi

panas radiasi akan sangat tergantung pada suhu mutlak dan sifat dari permukaan

tersebut

Besarnya radiasi maksimal yang dapat dipancarkan dari suatu permukaan

pada suatu temperatur absolut ditunjukkan oleh hukum Stefan-boltzmann sebagai

berikut:

Qrad =𝜀𝜎. As . (Ts4- T

4surr)......................................(2.1)

12

Dimana :

Qrad = Panas radiasi ( W )

𝜎 = Konstanta ( 5,67.10 -4

W/m2 K

4 )

As = Luas permukaan yang terkena radiasi (m2 )

Ts = Temperatur absolut dari permukaan

𝜀 = Emisivity Permukaan

Gambar 2.3 Perpindahan panas radiasi (Cengel, 2003)

2.5.2 Perpindahan Panas Secara Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi merupakan perpindahan panas yang

diperoleh karena perpindahan energi dari sebuah substansi yang memiliki energi

partikel yang lebih besar ke substansi yang berdekatan yang memiliki energi

partikel yang lebih kecil sebagai hasil dari interaksi antar partikel.Besar laju rata-

rata perpindahan panas pada sebuah medium tergantung pada geometri medium

yaitu ketebalan dan jenis bahan dari medium tersebut. Berdasarkan pada

perpindahan panas konduksi dalam keadaan tetap ( steady) yang terjadi pada

dinding yang memiliki ketebalan (Δx) dan luas penampang (A) dan perbedaan

13

temperatur yang melewati dinding ΔT = T2 – T1 yang seperti ditunjukkan pada

persamaan di bawah ini :

Laju Perpindahan panas Konduksi = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒

𝑇ℎ𝑖𝑐𝑘𝑛𝑒𝑠𝑠

Sehingga besar laju dari perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan

sebagai berikut :

Qcond = k A𝑇1−𝑇2

∆𝑥 (W).......................................................(2.2)

Dimana :

Qcond = Panas konduksi (W )

K = Konduktivitas thermal bahan ( W/m ºC )

T1 = Temperatur dinding x1 ( ºC )

T2 = Temperatur pada dinding x2 ( ºC )

∆𝑥 = Tebal Lapisan ( m )

Gambar 2.4 Perpindahan panas konduksi ( Cengel, 2003)

2.5.3 Perpindahan Panas Secara Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi merupakan salah satu bentuk

perpindahan energi antara sebuah permukaan benda padat dengan fluida yang

14

mengalir atau gas yang berdekatan dalam keadaan bergerak dan merupakan

kombinasi dari konduksi dan gerakan fluida.Besarnya kecepatan gerakan fluida

menunjukkan besarnya perpindahan panas konveksi. Ada beberapa mekanisme

perpindahan panas yang terjadi secara konveksi antara lain yaitu :

1. Perpindahan Konveksi Alamiah

Perpindahan konveksi secara alamiah yatu ketika ada benda ataupun

komponen yang memiliki temperatur tinggi, kemudian secara langsung udara

yang mengalir secara alami melewati benda tersebut akan mengalami perubahan

energi sehingga udara yang mengalir akan memiliki perubahan suhu menjadi lebih

tinggi

2. Perpindahan Konveksi paksa

Perpindahan konveksi paksa merupakan kebalikan dari konveksi alamiah,

karena konveksi paksa mengandalkan bantuan gaya dari luar misalkan

penggunaan kipas buang, blower dan lain sebagainya. Untuk persamaan laju

perpindahan secara konveksi dapat dinyatakan sebagai berikut :

Qconv = h As ( Ts – T∞).............................................................(2.3)

Dimana :

Qconv = Perpindahan panas konveksi ( W )

h = Koefisien panas konveksi ( W/m3ºC )

As = Luas penampang kontak panas (m2)

Ts = Temperatur permukaan (ºC)

T∞ = Temperatur aliran Fluida (ºC)

15

Gamabar 2.5 Perpindahan panas konveksi (Cengel, 2003)

2.6 Ventilasi

Ventilasi pada umumnya digunakan sebagai pintu sirkulasi agar udara

masuk ke dalam ruangan untuk melakukan sirkulasi udara. Pada kandang sapi

perah model tertutup ventilasi di gunakan dengan tujuan hampir sama seperti

ventilasi pada umumnya, yaitu sebagai pintu udara masuk yang akan mengalir ke

dalam kandang sehingga dapat melakukan sirkulasi dan mengendalikan suhu,

kelembaban udara dan membawa keluar gas-gas yang beracun. Sistem ventilasi

udara akan terjadi dan udara akan masuk apabila terjadi perbedaan tekanan antara

tekanan di luar kandang dan di dalam kandang. Ventilasi dengan bukaan dan

tekanan tertentu akan dapat mempengaruhi kecepatan udara dan pola aliran yang

mengalir di dalam kandang.

Pada kandang sapi umumnya sistem ventilasi di gunakan dengan sistem

alami karean biaya lebih murah tanpa harus melakukan sistem kandang model

tertutup, namun faktor yang mempengaruhi sapi akan lebih besar antara lain

faktor panas akibat radiasi matahari yang memancar akan mudah masuk ke dalam

kandang, suhu udara luar yang panas akan lebih banyak masuk ke dalam kandang

dan ketika hujan, air akan masuk ke dalam kandang.

16

2.7Kipas Buang

Kipas buang adalah mesin atau alat yang digunakan untuk menarik udara

dan mendorong udara sehingga udara mendapatkan gaya luar dan dapat di alirkan

ataupun di hempaskan. Selain itu kipas buang juga mengatur volume udara yang

akan disirkulasikan pada ruangan. Setiap ruangan yang berbeda akan memerlukan

jenis kipas buang yang berbeda, tergantung dari kebutuhan yang akan di gunakan.

Pada umumnya kipas buang memiliki beberapa macam dan fungsinya

yang berbeda - beda sesuai dengan kebutuhan , macam – macam kipas antara lain

adalah sebagai berikut :

2.7.1 Kipas Buang Aksial

Kipas buang aksial memiliki cara kerja dengan mengalirkan udara

disepanjang sumbu kipas buang. Kerja dari kipas buang aksial seperti impeler

pada pesawat terbang,bentuk sudu (blade) dari kipas buang aksial menghasilkan

pengangkatan aerodinamis dengan menekan udara. Jenis kipas buang ini terkenal

di industri karena harga relatif murah, kipas buang aksial dapat di lihat pada

Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Kipas Buang Aksial (CEATI International inc, 2008)

2.7.2 Kipas Buang Sentrifugal

Karakteristik kipas buang sentrifugal adalah dengan bentuk blade yang

berbeda dan peningkatan kecepatan udara yang di hasilkan karena perputaran di

17

area impeler. Kecepatan aliran udara yang meningkat di ujung blade akan

menghasilkan tekanan yang tinggi sehingga kipas buang jenis ini mampuuntuk

kondisi operasi yang membutuhkan tekanan tinggi, seperti sistem dengan suhu

tinggi dan sistem dengan udara kotor yang memiliki massa jenis udara lebih berat.

Kipas buang sentrifugal dapat di lihat pada Gambar 2.7

Gambar 2.7 Kipas Buang Sentrifugal(CEATI International inc, 2008)

2.7.3 Kipas Buang Propller

Kipas buang propller pada dasarnya prinsip kerja dengan menghasilkan

laju aliran udara yang tinggi dan tekanan yang di hasilkanya relatif kecil dan

banyak di gunakan sebagai ventilasi udara. Gambar dapat di lihat Pada Gambar

2.8

Gambar 2.8 Kipas Buang Propller(CEATI International inc, 2008)

18

2.8Computational Fluid Dynamic

Camputational Fluid Dynamic adalah alat yang di gunakan untuk

menganalisis sistem yang meliputi pergerakan aliran fluida, perpindahan panas

dan massa aliran fluida serta fenomena lainya seperti fenomena reaksi kimia yang

metode analisisnya menggunakan simulasi berbasis komputer. Computational

Fluid Dynamic telah banyak di gunakan untuk mendesain dan merekayasa

pesawat terbang dan mesin jet untuk mengetahui pengaruh gaya yang terjadi

karena aliran fluida dan perpindahan panasnya. CFD pada dasarnya adalah alat

yang di gunakan sebagai prediksi secara kuantitatif apa yang terjadi pada saat

aliran fluida mengalir, sehingga untuk prediksi aliran fluida pada sistem dapat

dilakukan dengan waktu yang lebih singkat dan biaya yang lebih murah di

bandingkan dengan metode eksperimen. Pada saat memprediksi aliran fluida pada

kondisi tertentu, program pada CFD haruslah dapat menerjemahkan persamaan

yang terjadi pada fluida sehingga pemahaman dari sifat-sifat dasar aliran fluida

sangat penting. Persamaan yang mengatur aliran fluida merupakan persamaan

diferensial parsial sehingga komputer digital secara langsung tidak dapat

digunakan, untuk penyelesaiaan masalah tersebut maka persamaan tersebut harus

terlebih dahulu di transformasikan ke dalam persamaan aljabar sederhana dengan

metode diskritisasi( Versteg dan Malalasekera, 1995).

Metode diskritisasi memiliki beberapa jenis dan pengguanaan dari masing-

masing memiliki cara kerja yang berbeda seperti metode elemen hingga ( finite

element methode), metode volume hingga (finite volume methode) dan metode

beda hingga ( finite different methode ). Pada proses simulasi, pola aliran udara

yang terjadi digambarkan secara kuantitatif dalam persamaan diferensial dan

19

koordinat kartesain dengan pemecahan menggunakan teknik CFD 3 dimensi yang

berdasarkan analisis numerik metode beda volume (finite different volume)

( Versteg dan Malalasekera, 1995 ).

Persamaan diskritisasi yang di hasilkan dari persamaan diferensial pada

umumnya dalam bentuk implisit dengan pertanyaan secara simultan atas

banyaknya persamaan individual yang di hasilkan, dan pada persamaan tersebut

harus di selesaikan dengan metode persamaan tertentu yaitu salah satunya dengan

pendekatan iterasi. Proses iterasi adalah sebuah analsisis yang akan menebak

variabel yang terdapat pada implisit dan iterasi akan terus berjalan sampai selisih

antara persamaan ruas kanan dan kiri mendekati konvergen.

Dalam penyelasaian persamaan diferensial diperlukan inputan variabel

syarat batas ( boundry condition ) dan kondisi awal (initial condition) yang

merupakan variabel turbulensi, tekanan, temperatur dan kecepatn aliran udara.

Pada kondisi batas bukaan ventilasi dan material penyusun kandang haruslah

memiliki acuan sehingga penyelesaiaan persamaan diferensial dapat di selesaikan.

Dalam simulasi hal yang perlu di perhatikan adalah jenis grid yang digunakan,

jenis grid menjadi suatu hal yang sangat berpengaruh terhadap domain aliran,

program sover dan kesalahan diskritisasi yang muncul akibat grid tidak sejajar

dengan arah aliran (numerical diffusion).

Sebelum membuat simulasi menggunakan teknik Computational Fluid

Dynamic maka perlu di lakukan tahap pra-pengolahan, tahap ini berguna untuk

mendifinisikan input dari simulasi yang akan di buat. Pada pra-pengolahan

didefinisikan beberapa hal berikut sebagai input :

20

a. Menentukan batas computational domain geometri yang akan di

analisis.

b. Menentukan sifat bahan gambar geometri dan sifat fluida yang akan di

analisis melalui modul engginering database CFD yang tersedia.

c. Menentukan syarat batas boundary condition yang akan di analisis

d. Menentukan tngkat mesh yang akan di analisis

e. Menentukan tujuan yang akan di analisa pada proses pemecahan

masalah.