OPTIMASI SUDUT ATAP DAN TINGGI DINDING PADA RUMAH KACA DI DAERAH TROPIKA DENGAN ALGORITMA GENETIK (AG) ENI SUMARNI

Transkripsi

1 OPTIMASI SUDUT ATAP DAN TINGGI DINDING PADA RUMAH KACA DI DAERAH TROPIKA DENGAN ALGORITMA GENETIK (AG) ENI SUMARNI SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007 ii

2 ABSTRACT Eni Sumarni. Optimization of Greenhouse Roof Angle and Side Wall in Tropical Region by Using Genetic Algorithms (GA). Under the direction of HERRY SUHARDIYANTO dan LEOPOLD OSCAR NELWAN. The objective of this research was to investigate the influence of roof angle and side wall of a standard peak greenhouse to air temperature inside the greenhouse based on heat transfer equations, investigate the best configuration of greenhouse roof angle and side wall by using genetic algorithms (GA) with a reference of modification cost. The research was conducted in a standard peak greenhouse located at Leuwikopo experiment site, Department of Agricultural Engineering, Bogor Agricultural University from March to Mei Data acquisitions were done by using weather station (RM YOUNG Model), translator, thermocouple, Personal Computer, Hybrid Recorder (HR 2300), Pyranometer (MS-42 model A83182 series), oil bath and standard thermometer. Heat transfer equations to predict air temperature inside the greenhouse were consisted by three elements: 1) greenhouse cover, 2) inside air temperature, and 3) floor and soil layers. Validation was conducted by using linier regression and calculation of Average Percentage of Deviation (APD). The optimization was conducted to know optimum roof angle of greenhouse to decrease air temperature inside the greenhouse. Optimization process includes evaluation, selection, crossover and mutation. The results showed that the best design factor of roof angle was affected by wind speed and solar radiation. Roof angle 37 o are recommended for 0 m/s wind speed, 38 o are recommended for 1.1 m/s wind speed, 28 o are recommended for 2.4 m/s 2 wind speed and 27 o are recommended for 3.5 m/s in 340 W/m 2 radiation. Roof angle 38 o are recommended for 0 m/s wind speed, 39 o are recommended for 1.1 m/s wind speed, and 30 o are recommended for 2.4 m/s and 3.5 m/s wind speed in 531 W/m 2 radiation. Increase in roof angle causes in increase in the cost, considerably. Air temperature inside the greenhouse was affected by climatic condition. Optimization of greenhouse roof angle and side wall by using genetic algorithms can be used as a design tool for greenhouse in tropical region. Key word: roof angle, greenhouse design, tropical region, genetic algorithms

3 RINGKASAN Radiasi matahari yang masuk ke dalam greenhouse mempengaruhi suhu udara dalam greenhouse dan keseimbangan panas dalam greenhouse yang pada akhirnya menciptakan kondisi yang berbeda dengan sekitar greenhouse. Besarnya radiasi matahari dipengaruhi oleh lokasi suatu tempat karena perbedaan garis lintang, ketinggian, tanggal dalam setahun dan musim. Sudut datang radiasi matahari yang bervariasi sepanjang hari berpengaruh pada kondisi iklim mikro di dalam greenhouse. Pendugaan suhu udara di dalam greenhouse diperlukan dalam perancangan greenhouse. Pendugaan dengan menggunakan simulasi berdasarkan persamaan pindah panas dengan mempertimbangkan sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse dan kemiringan sudut atap greenhouse diharapkan dapat memberikan hasil yang baik. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian hubungan antara kemiringan atap dan tinggi dinding dengan suhu udara di dalam greenhouse. Optimisasi sudut atap dan tinggi dinding yang optimum untuk mendapatkan suhu udara terendah di dalam greenhouse dapat dilakukan menggunakan algoritma genetik (AG). AG adalah metode optimasi menggunakan prinsip ilmu genetik dari teori Darwin untuk mendapatkan tujuan tertentu. Ide dasarnya adalah organisme yang berevolusi dari generasi ke generasi untuk beradaptasi dengan lingkungannya. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh sudut atap dan tinggi dinding greenhouse terhadap suhu udara di dalam greenhouse tipe standar peak dengan prinsip pindah panas, mengetahui modifikasi yang paling baik dari hubungan sudut atap dan tinggi dinding greenhouse tipe standar peak dengan optimasi menggunakan algoritma genetik (AG), dan mengetahui biaya greenhouse dari hasil optimasi algoritma genetik (AG). Penelitian dilakukan pada Maret 2007 sampai dengan Mei 2007 di Greenhouse Departemen Teknik Pertanian, Leuwikopo, IPB. Alat dan Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah greenhouse tipe standar peak, weather station RM YOUNG model 26700, translator, komputer, termokopel, Hybrid Recorder tipe HR 2300, Pyranometer model MS-42 seri A83182, serta oil bath dan termometer standar. Persamaan keseimbangan panas untuk memprediksi suhu udara di dalam greenhouse dengan mempertimbangkan sudut datang matahari dibagi menjadi tiga elemen, yaitu keseimbangan panas pada penutup greenhouse, keseimbangan panas di permukaan lantai dan lapisan tanah. Validasi dilakukan dengan menggunakan regresi linier dan Average Percentage of Deviation (APD). Optimasi algoritma genetik (AG) yang dikembangkan bertujuan meminimalkan suhu udara rata-rata dalam greenhouse dari variabel perancangan greenhouse, yaitu sudut atap greenhouse. Hubungan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dan suhu udara hasil pengukuran menghasilkan persamaan regresi Y = x , dengan koefisien determinasi sebesar dan APD sebesar 7.8%. Pada kondisi radiasi matahari 340 W/m 2 sudut atap yang disarankan adalah 37 o untuk kecepatan angin 0 m/s, sudut atap 38 o untuk kecepatan angin 1.1 m/s, sudut atap 28 o untuk kecepatan angin 2.4 m/s dan 27 o untuk kecepatan angin 3.5 m/s. Pada kondisi radiasi 531 W/m 2 sudut atap yang disarankan adalah 38 o untuk kecepatan angin 0 m/s, sudut atap 39 o untuk kecepatan angin 1. 1 m/s 2.4 m/s dan 3.5 m/s. Biaya per

4 satuan luas atap lebih tinggi dari pada dinding greenhouse, sehingga semakin besar atap, maka semakin besar biaya. Greenhouse dengan kemiringan atap 27 o sampai 30 o membutuhkan biaya Rp sampai Rp Sudut kemiringan atap 37 o sampai 39 o membutuhkan biaya Rp sampai Rp Hasil optimasi menunjukkan bahwa suhu udara di dalam greenhouse dipengaruhi oleh kondisi cuaca sekitar greenhouse. Pengendalian alami dengan mempertimbangkan faktor desain greenhouse bermanfaat untuk mengurangi beban panas dalam greenhouse.

5 OPTIMASI SUDUT ATAP DAN TINGGI DINDING PADA RUMAH KACA DI DAERAH TROPIKA DENGAN ALGORITMA GENETIK (AG) ENI SUMARNI Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007 ii

6 Judul Tesis Nama NRP : Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding pada Rumah Kaca di Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG) : Eni Sumarni : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr. Ir. H.Herry Suhardiyanto, M.Sc. Ketua Dr. Leopold Oscar Nelwan, STP, M.Si. Anggota Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Prof. Dr. Ir. Budi Indra Setiawan, M.Agr. Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S. Tanggal Ujian : 20 Juli 2007 Tanggal Lulus : ii

7 Penguji Luar Komisi : Dr. Ir. Suroso, MAgr.

8 Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2007 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apa pun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya.

9 PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding pada Rumah Kaca di Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG) adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. 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. Bogor, Agustus 2007 Eni Sumarni F

10 PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas limpahan Rahmat dan ridho-nya, sehingga tesis tentang Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding pada Rumah Kaca di Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG) dapat terselesaikan. Tesis ini sebagai salah satu syarat mendapatkan gelar Magíster Sains pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB. Pada kesempatan ini disampaikan tarima kasih kepada: 1. BPPS DIKTI yang telah memberikan dana sehingga aktivitas studi dan penelitian ini dapat berjalan. 2. Dr. Ir. H. Herry Suhardiyanto, MSc. Dan Dr. Leopold Oscar Nelwan, STP. Msi. sebagai komisi pembimbing atas bimbingan, arahan dan perhatiannya. 3. Dr. Ir. Suroso, MAgr. sebagai penguji, atas saran perbaikannya. 4. Institut Pertanian Bogor yang telah memberikan kesempatan studi di Program Studi Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian. 5. Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto yang telah memberikan ijin studi di Program Studi Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian. 6. Noor Farid, suamiku, Dilla, Dina, dan Nanda anakku atas dukungan semangat dan doa. 7. Ibu dan Bapak atas dukungan dan nasehatnya. 8. Pak Ahmad, Pak Harto, Pak Eman, Mas Firman, Titin, Dona, Khafid, Eka, Dewi, Iwa, Shinta, Yuni, Anne, Slamet Widodo, Rudiyanto, Sofyan, Nunik, Tika, Mba Dewi, Faida dan rekan-rekan satu angkatan pada Program Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian atas bantuan selama penyelesaian tesis ini. 9. Semua pihak yang telah tekun membantu pelaksanaan penelitian ini. Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Bogor, Agustus 2007 Eni Sumarni ii

11 RIWAYAT HIDUP Eni Sumarni dilahirkan di Cilacap pada tanggal 8 Agustus 1979, anak pertama dari lima bersaudara dari orang tua Bapak Dirin dan Ibu Sumarni. Tahun 1997 lulus dari SMU N 1 Kroya, selanjutnya pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB jalur USMI pada Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB. Tahun 2002 memperoleh gelar Sarjana Teknik Pertanian IPB. Tahun 2003 diterima sebagai staf pengajar di Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto sampai sekarang. Tahun 2005 masuk sebagai mahasiswa Magister Sains Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Sekolah Pascasarjana IPB. ii

12 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR LAMPIRAN... xi DAFTAR SIMBOL... x PENDAHULUAN... 1 Latar Belakang... 1 Tujuan Penelitian... 3 Manfaat Penelitian... 3 TINJAUAN PUSTAKA... 4 Greenhouse sebagai Lingkungan Tumbuh Tanaman... 4 Suhu Udara dalam Greenhouse... 5 Radiasi Matahari dann Geometri Matahari... 5 Ventilasi... 7 Simulasi Suhu Udara dalam Greenhouse... 8 Algoritma Genetik (AG)... 9 PENDEKATAN TEORITIS Radiasi Matahari pada Bidang Horizontal Radiasi Matahari pada Permukaan Penutup Atap Pindah Panas dalam Greenhouse BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Bahan dan Alat Metode Penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Sudut Datang Matahari pada Penutup Atap Greenhouse Model Pindah Panas dalam Greenhouse Validasi Model Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding dengan Algoritma Genetik Biaya Greenhouse Hasil Optimasi SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran iii

13 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iv

14 DAFTAR TABEL Halaman 1 Prosentase distribusi energi radiasi matahari di atmosfer dan permukaan bumi Konstanta yang digunakan dalam simulasi pendugaan suhu udara dalam greenhouse Perbedaan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 29 Maret 2007 sampai 2 April Data input algoritma genetik Parameter algoritma genetik Hasil optimasi AG untuk radiasi rata-rata 340 W/m Hasil optimasi AG untuk radiasi rata-rata 531 W/m Biaya greenhouse hasil optimasi v

15 DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Tahapan algoritma genetik Sudut datang radiasi matahari pada permukaan horizontal Sudut datang radiasi matahari pada atap bangunan berorientasi timur barat Sudut radiasi matahari pada kemiringan atap berorientasi Utara-Selatan Lingkungan termal greenhouse Tampak depan greenhouse existing Greenhouse standar peak existing yang digunakan sebagai bahan analisis Skema titik pengukuran pada greenhouse Penggunaan alat pada greenhouse Diagram alir proses optimasi algoritma genetik Perubahan radiasi matahari harian selama pengukuran Radiasi total harian selama pengukuran Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse yang berorientasi Utara-Selatan pada tanggal 29 Maret Radiasi matahari yang sampai ke dalam greenhouse dari bahan penutup polycarbonate Transmisi radiasi matahari yang melalui polycarbonate sesuai dengan sudut datang radiasi matahari Kecepatan angin di sekitar greenhouse Suhu udara di luar dan di dalam greenhouse Kelembaban udara di sekitar greenhouse Suhu udara greenhouse hasil simulasi dan hasil pengukuran tanggal 29 Maret Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 30 Maret Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 1 April vi

16 22 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 2 April Hubungan linier antara suhu udara hasil simulasi dengan hasil pengukuran Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan vii

17 angin 0 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 531 W/m Greenhouse hasil optimasi AG viii

18 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir program untuk memprediksi suhu udara dalam greenhouse Analisis harga satuan pekerjaan greenhouse Hasil pengukuran kondisi cuaca sekitar greenhouse Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 0 m/s, 340 W/m Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 0 m/s, 340 W/m Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 0 m/s 340 W/m Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, 340 W/m Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, 340 W/m Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s 340 W/m Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, 340 W/m Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, 340 W/m Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 2.4 m/s 340 W/m Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, 340 W/m Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, 340 W/m Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s 340 W/m Program untuk memperediksi suhu udara dalam greenhouse dan biaya Perhitungan Biaya Greenhouse ix

19 DAFTAR SIMBOL AH Tinggi rata-rata greenhouse, m Absc 1 Absorptivitas penutup greenhouse terhadap gelombang pendek, % Absc 2 Absorptivitas penutup greenhouse terhadap gelombang panjang, % Abss Absorptivitas lantai, % C a C c C f dt/dt EP EQT Panas jenis udara volumetrik, kj/m 3o C Panas jenis volumetrik van penutup, kj/m 3o C Panas jenis volumetrik lantai, kj/m 3o C Perubahan suhu tiap satuan waktu, o C/s Tinggi greenhouse, m Equation of Time F iv Fluk volume pertukaran udara, m 3 /s h Sudut jam matahari, o h f h i h v h w K Ks K u K std ks L LAT LGT Koefisien pindah panas konveksi dari permukaan lantai ke udara dalam, W/ o C Koefisien pindah panas konveksi dari penutup bagian dalam ke udara dalam, W/ o C Koefisien pindah panas konveksi karena pengaruh ventilasi, W/oC Koefisien pindah panas konveksi di penutup bagian luar karena pengaruh angin, W/ o C Kosinus sudut datang radiasi matahari Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse yang menghadap ke selatan Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse yang menghadap ke utara Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk penutup standar peak greenhouse Kondukstivitas panas tanah, W/mK Panjang greenhouse, m Latitude atau garis lintang, o LS Longitude atau garis bujur, o BT x

20 n Julian day N Jumlah data pengukuran Qo i Data pengukuran ke- Qc i Data hasil simulasi ke- RAD Radiasi matahari pada bidang horizontal, W/m 2 RH Kelembaban udara sekitar greenhouse, % RP Tinggi greenhouse di tengah, m SBC Konstanta Stefan Boltzman, 5.67E-8 W/m 2 K SW r Lebar span, m Rasio luas atap terhadap lantai TBL Suhu udara tanah di bawah lapisa tanah yang dianggap konstan, o C T c T f T in T out T sky W zo z1 α β θ θ z φ ω Suhu udara penutup greenhouse, o C Suhu udara permukaan lantai, o C Suhu udara dalam greenhouse, o C Suhu udara sekitar greenhouse, o C Suhu langit, o C Lebar greenhouse, m Ketebalan lapisan tanah yang mewakili suhu udara permukaan tanah, m Ketebalan lapisan tanah yang mewakili lapisan pertama, m Altitude atau ketinggian matahari, o Sudut kemiringan permukaan terhadap horizontal, o Sudut deklinasi matahari, o Sudut zenit matahari, o Latitude, o Sudut jam matahari, o xi

21 PENDAHULUAN Latar Belakang Greenhouse (rumah kaca) adalah bangunan yang diupayakan untuk pengendalian lingkungan bagi kepentingan tanaman (Tchamitchian et al., 2005; Perret et al., 2005; Tawegoum et al., 2006). Perbedaan iklim dan cuaca harian di daerah tropis dan sub tropis, menyebabkan terjadinya perbedaan fungsi greenhouse. Greenhouse di daerah tropis adalah sebagai pelindung tanaman dari terpaan angin, hujan, hama maupun penyakit. Greenhouse di daerah beriklim sub tropis, berfungsi sebagai penjebak panas karena rendahnya radiasi matahari yang sampai ke tanaman. Bentuk greenhouse di Indonesia cenderung meniru bentuk greenhouse di negara subtropis yang kondisi iklimnya berbeda. Masalah yang timbul adalah tingginya suhu udara dalam greenhouse. Radiasi matahari yang masuk ke dalam greenhouse mempengaruhi suhu udara dalam greenhouse. Radiasi matahari yang sampai ke dalam greenhouse sangat berpengaruh terhadap keseimbangan termal dalam greenhouse yang pada akhirnya menciptakan kondisi termal yang berbeda dengan kondisi di sekitar greenhouse. Besarnya radiasi matahari dipengaruhi oleh lokasi suatu tempat karena perbedaan garis lintang, ketinggian dan musim (Giacomelli dan Roberts, 1993). Bentuk dan bahan atap greenhouse mempengaruhi transmisivitas radiasi matahari yang masuk ke dalam greenhouse (Kurata et al., 1991). Penggunaan bahan atap yang tidak tepat dapat menaikkan suhu, sehingga dapat menyebabkan cekaman pada tanaman (Shen dan Yu, 2002; Shih, 2002). Transmisi radiasi ke dalam greenhouse dapat dikendalikan dengan desain geometri atap yang baik (Soriano et al., 2004), sedangkan tingginya suhu udara di dalam greenhouse dapat dikurangi dengan desain ventilasi yang baik (Soegijanto, 1998; Teitel et al., 2005). Greenhouse yang diperlukan di daerah tropis seperti Indonesia adalah bangunan pelindung tanaman dari intensitas radiasi matahari yang tinggi, terpaan hujan dan serangan hama. Radiasi matahari merupakan faktor penting pada lingkungan greenhouse. Transmisi radiasi matahari ke dalam greenhouse

22 berpengaruh terhadap kondisi iklim pertumbuhan tanaman (Wang dan Boulard, 2000; Toor et al., 2006). Bentuk greenhouse yang ideal untuk memaksimumkan transmisivitas radiasi matahari adalah rounded, tetapi bentuk ini memiliki kekurangan dalam ukuran dan penanaman. Alternatif bentuk konvensional dapat dipilih dengan kemiringan atap 25 o sampai 35 o, kemiringan tersebut lebih efesien dalam menstransmisikan radiasi matahari (Walls, 1993). Bentuk greenhouse di negara tropis dengan bukaan atap lebih cocok, karena di daerah tropis penerimaan sinar matahari relatif lebih banyak, sehingga bentuk ruang harus memungkinkan sirkulasi udara lebih lancar (Widyastuti, 1993). Menurut penelitian terdahulu, suhu udara di dalam greenhouse pada saat radiasi matahari tinggi dapat mencapai nilai 43 o C (Widyarti et al., 2004). Alternatif metode untuk mencegah terlalu tingginya suhu udara di dalam greenhouse berdasarkan analisis laju ventilasi alami sudah dilakukan, tetapi berdasarkan pengaruh sudut kemiringan atap belum dikaji. Pendugaan suhu udara di dalam greenhouse diperlukan dalam perancangan greenhouse. Pendugaan dengan menggunakan simulasi berdasarkan persamaan pindah panas dengan mempertimbangkan sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse dan kemiringan sudut atap greenhouse diharapkan dapat memberikan hasil yang baik. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian hubungan antara kemiringan atap dan tinggi dinding dengan suhu udara di dalam greenhouse. Penelitian pendugaan suhu udara di dalam greenhouse dengan menggunakan prinsip pindah panas telah dilakukan oleh Takakura et al. (1971), Avissar et al.(1982), Romdhonah (2002), dan Nuryawati (2006), tetapi belum diperoleh hubungan sudut kemiringan atap dan tinggi dinding yang optimum untuk suhu udara di dalam greenhouse. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan menggunakan metode algoritma genetik (AG). AG adalah metode optimasi menggunakan prinsip ilmu genetik dari teori Darwin untuk mendapatkan tujuan tertentu (Holland, 1975). Ide dasarnya adalah organisme yang berevolusi dari generasi ke generasi untuk beradaptasi dengan lingkungannya. 2

23 Tujuan Penelitian dan Manfaat Penelitian Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Mengetahui pengaruh sudut atap dan tinggi dinding greenhouse terhadap suhu udara di dalam greenhouse tipe standar peak dengan prinsip pindah panas. 2. Mengetahui modifikasi yang paling baik dari hubungan sudut atap dan tinggi dinding greenhouse tipe standar peak dengan optimasi menggunakan Algoritma Genetik (AG). 3. Mengetahui biaya greenhouse yang diperlukan dari hasil optimasi Algoritma Genetik (AG). Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat membantu desain greenhouse di daerah tropika dalam rangka pengendalian suhu udara di dalam greenhouse akibat intensitas radiasi matahari yang tinggi melalui variabel parancangan bangunan sudut atap dan tinggi dinding greenhouse. 3

24 TINJAUAN PUSTAKA Greenhouse Sebagai Lingkungan Tumbuh Tanaman Faktor lingkungan berperan penting untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman dengan kualitas prima. Karakteristik gen tertentu suatu tanaman tidak akan muncul seperti yang diharapkan bila tidak didukung penyediaan kondisi lingkungan yang sesuai (Tamrin, 2005). Greenhouse (rumah kaca) adalah bangunan yang diupayakan untuk pengendalian lingkungan tanaman (Mastalerz, 1977; Tiwari dan Goyal, 1998, 1993; Hanan et al., 1978). Pemilihan bentuk greenhouse tergantung pada kondisi lingkungan dan jenis tanaman yang dibudidayakan (Tika, 1980). Penggunaan greenhouse sebagai rumah tanaman akan berpengaruh terhadap iklim mikro yang berbeda dengan lingkungan luar. Hal ini disebabkan terbatasnya pertukaran udara dengan lingkungan luar dibandingkan dengan udara tanpa penutup, sehingga mempengaruhi keseimbangan massa dan energi di dalam greenhouse dan terjadinya perubahan radiasi gelombang pendek menjadi radiasi gelombang panjang oleh penutup greenhouse yang menyebabkan kenaikan suhu udara di dalam greenhouse (Bot, 1993) Bentuk Greenhouse yang ideal untuk memaksimumkan transmisivitas radiasi matahari adalah rounded, tetapi bentuk ini memiliki kekurangan dalam ukuran dan penanaman. Alternatif bentuk konvensional dapat dipilih dengan kemiringan atap normal 25 o sampai 35 o, kemiringan tersebut lebih efesien dalam menstransmisikan radiasi matahari (Walls, 1993). Bentuk greenhouse di negara tropis dengan bukaan atap lebih cocok, karena di daerah tropis penerimaan sinar matahari relatif lebih banyak, sehingga bentuk ruang harus memungkinkan sirkulasi udara lebih lancar (Widyastuti, 1993). 4

25 Suhu Udara dalam Greenhouse Energi matahari yang masuk ke dalam greenhouse secara radiasi dipantulkan dari berbagai permukaan. Energi ini diserap tanaman, lantai dan lainlain. Energi tersebut kemudian diubah menjadi panas. Kelebihan energi dihamburkan sebagai panas laten transpirasi, memanaskan udara dalam greenhouse secara konduksi dan konveksi atau dipancarkan sebagai radiasi gelombang panjang. Energi yang dipancarkan sebagai radiasi gelombang panjang ini terperangkap dalam greenhouse dan memanaskan udara di dalamnya sehingga suhu udara akan naik (Businger, 1963; Bot, 1993; Takakura, 1991). Menurut penelitian terdahulu, suhu udara di dalam greenhouse pada saat radiasi matahari tinggi dapat mencapai nilai 43 o C (Widyarti et al., 2004). Faktor yang mempengaruhi besarnya suhu udara dalam greenhouse adalah tingkat intensitas radiasi matahari, besar kecilnya perubahan panas akibat transpirasi tanaman, besar kecilnya panas yang hilang melalui atap atau dinding, besar kecilnya panas yang diserap tanaman untuk proses fotosintesis dan besar kecilnya panas yang hilang melalui ventilasi serta bahan konstruksi (Walker, 1965). Hanan et al. (1978) menyatakan, bahwa garis lintang merupakan faktor utama yang mempengaruhi suhu udara di dalam greenhouse. Faktor lain adalah altitude atau ketinggian matahari, kondisi topografi yang mempengaruhi pergerakan angin dan panjang hari. Radiasi Matahari dan Geometri Matahari Radiasi matahari merupakan faktor penting pada lingkungan greenhouse. Radiasi matahari berpengaruh terhadap kondisi iklim pertumbuhan tanaman dalam greenhouse (Wang dan Boulard, 2000; Hammer et al., 1945; McCollum, 1954; Toor et al., 2006). Radiasi matahari yang mengenai permukaan benda terdiri dari radiasi langsung, radiasi sebaran (sky radiation) dan radiasi pantulan. Radiasi langsung adalah radiasi matahari yang langsung mengenai permukaan benda tanpa mengalami pemantulan atmosfer. Radiasi sebaran adalah radiasi yang sudah dipencarkan oleh molekul-molekul gas, debu dan uap air di atmosfer, sedangkan 5

26 radiasi pantulan adalah radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan dengan benda tersebut (Jansen, 1995; Kreith, 1986; Tiwari dan Goyal, 1998). Radiasi matahari ditransmisikan (transmisivitas), dipantulkan (reflectance) atau diserap (absorptivitas) oleh atmosfer dan penutup greenhouse. Transmisivitas dan reflektivitas merupakan bagian yang penting, karena dipengaruhi sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse, sedangkan absorptivitas hampir konstan untuk semua sudut datang radiasi matahari dari 0 o sampai 90 o (Takakura, 1989). Radiasi matahari yang ditransmisikan dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman, tetapi aktualnya hanya sekitar 1-5% yang sampai ke tanaman. Kemampuan pindah panas penutup greenhouse diperlukan dalam desain greenhouse (Giacomelli dan Roberts, 1993). Radiasi matahari diterima oleh permukaan penutup greenhouse, baik yang tembus cahaya maupun yang tidak (opaque). Permukaan yang tembus cahaya akan memberikan perolehan panas yang lebih besar (Soegijanto, 1998). Energi matahari yang ditransmisikan melalui bahan penutup greenhouse digunakan untuk proses fotosistesis tanaman (Giacomelli dan Roberts, 1993). Kemampuan bahan penutup greenhouse meneruskan radiasi gelombang panjang yang diperlukan tanaman sangat penting. Photosynthetically active radiation (PAR) meningkat 42.9% dari energi total pada permukaan tanah bergantung pada kondisi atmosfir (Ting dan Giacomelli, 1987). Tabel 1 memperlihatkan distribusi energi radiasi matahari pada beberapa jenis bahan penutup greenhouse. Tabel 1 Prosentase distribusi energi radiasi matahari di atmosfer dan permukaan bumi Panjang Gelombang Atmosfer Permukaan Bumi UV ( nm) PAR ( nm) FR ( nm) IR ( nm) Thermal(>2800nm) (sumber: Duffie dan Beckman, 1980; Thimijan dan Heins, 1983) 6

27 Jumlah radiasi matahari pada suatu titik tertentu adalah radiasi matahari global atau total. Kondisi tersebut dipengaruhi oleh kondisi langit (berawan atau tidak) (Soegijanto, 1998), waktu dalam satu tahun, latitude dan geometri matahari (Tian et al., 2001), arah orientasi bangunan (Wang dan Boulard, 2000). Radiasi matahari mempunyai ciri khas, yaitu selalu berubah-ubah menurut keadaan atmosfer dan geometri radiasi matahari.geometri matahari berhubungan dengan deklinasi matahari (δ), sudut jam matahari (ω), sudut zenit matahari (θ z ) dan altitude atau ketinggian matahari (α). Posisi matahari yang bervariasi dalam satu tahun diperlukan untuk menghitung intensitas radiasi matahari yang diterima sebuah permukaan (Tiwari et al., 1998). Latitude lokasi sebuah greenhouse dalam satu tahun berpengaruh terhadap sudut radiasi matahari pada permukaan bumi. Semakin selatan latitude maka semakin tinggi matahari di atas horison dalam pertengahan musim dingin (Businger, 1963). Geometri berhubungan dengan bidang orientasi tertentu ke bumi pada suatu waktu (bidang yang bergerak maupun yang tidak bergerak relatif terhadap bumi) dan masuknya radiasi matahari, yaitu posisi matahari relatif terhadap bidang (Duffie et al., 1980). Ventilasi Gerakan angin dapat dilihat sebagai vektor yang memiliki besaran dan arah. Secara mikro, angin penting dalam proses pertukaran udara, oksigen dan karbondioksida. Angin dapat dibatasi sebagai gerakan horisontal udara relatif terhadap permukaan bumi. Batasan ini berasumsi bahwa seluruh gerakan udara secara vertikal kecepatannya dapat diabaikan karena relatif rendah (< 1 m/s), akibat diredam oleh gaya gravitasi bumi (Handoko, 1995). Arah angin dibatasi sebagai arah asalangin bertiup. Kecepatan pergerakan horizontal jauh lebih besar dan mempengaruhi proses-proses cuaca. Ventilasi alami adalah pertukaran udara di statu bangunan tanpa menggunakan kipas atau peralatan mekanik lainnya (Lindley dan Whitaker, 1996). Pada siang hari, di daerah beriklim tropis lembab, seperti Indonesia laju aliran udara tidak mampu memenuhi kenyaman termal karena banyaknya panas 7

28 yang harus dipindahkan ke luar ruangan terlalu besar (soegijanto, 1998). Pertukaran udara di dalam greenhouse dengan udara di luar greenhouse diperlukan untuk menurunkan suhu udara, mengurangi kelembaban, dan menjaga tersedianya CO 2 yang sangat penting bagi tanaman. Greenhouse yang menggunakan ventilasi alami pada sisi greenhouse dan atap sangat tergantung pada faktor termal dan angin agar terjadi sirkulasi udara pada bangunan tersebut (Boulard et al., 1997). Kozai dan Sase (1978) menyatakan bahwa ketika kecepatan angin kurang dari 2 m/s, maka jumlah pergantian udara tergantung pada perbedaan suhu uadara di dalam dan diluar bangunan. Apabila kecepatan angin lebih besar dari 2 m/s, maka jumlah pergantian udara tergantung pada jumlah span. Efek termal timbul karena perbedaan suhu udara di dalam dan di luar greenhouse. Gelombang panjang yang terperangkap di dalam greenhouse akan meningkatkan suhu udara dan menurunkan kerapatan di dalam greenhouse. Perbedaan kerapatan menyebabkan perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar greenhouse, sehingga akan terjadi aliran udara keluar masuk greenhouse melalui bukaan (Brockett dan Albright, 1998; Randall dan Boon, 1997). Semakin besar kecepatan angin, maka laju ventilasi akan semakin besar. Jumlah pergantian udara tersebut tergantung pada sisi-sisi ventilasi, letak ventilasi, besar bukaan ventilasi, dan jumlah span. Ventilasi alami dapat dicapai dengan pertukaran udara melalui bukaan greenhouse yang terjadi karena perbedaan tekanan di dalam dan di luar greenhouse. Optimasi sistem ventilasi alami memerlukan pengetahuan mengenai hubungan laju dan pola aliran udara pada berbagai kondisi cuaca dan karaketristik struktur greenhouse. Simulasi Suhu Udara dalam Greenhouse Model simulasi untuk memprediksi iklim mikro dalam greenhouse telah dilakukan. Batas kondisi utama yang umum ádalah data klimatologi berupa suhu udara, kelembaban udara (RH), kecepatan angin, radiasi matahari serta sifat termal dan optik dari elemen-elemen greenhouse (Avissar et al., 1982). Takakura (1971) mengembangkan model simulasi untuk memprediksi suhu udara dalam greenhouse menggunakan prinsip pindah panas yang dibagi menjadi empat 8

29 elemen yaitu lapisan penutup, udara dalam, kanopi tanaman dan lapisan tanah menggunakan 25 persamaan differensial yang rumit. Model ini melibatkan sudut datang radiasi matahari pada kesetimbangan panas di penutup greenhouse. Pengendalian suhu udara di dalam greenhouse juga telah dilakukan oleh Nishina et al., (2005) dengan menggunakan sistem identifikasi. Modifikasi lingkungan dalam greenhouse untuk pertumbuhan tanaman oleh Boulard et al., (2005); Rostov et al., (2002) ; Nielsen dan Madsen, (2005); Straten (2005); Young dan Lees (2005). Fiendy (2005) melakukan analisis modifikasi disain greenhouse stándar peak untuk mengetahui laju aliran udara di dalam greenhouse sebagai upaya pengendalian alami bangunan. Teknik visual dan kuantifikasi laju aliran udara melalui ventilasi alami juga telah dikembangkan oleh peneliti terdahulu (Wang et al., 1999; Boulard et al., 2000; Teitel et al., 2005). Rhomdonah (2002), mengembangkan model simulasi untuk memprediksi suhu dalam greenhouse dengan menggunakan prinsip pindah panas dan sudut datang radiasi matahari, kemudian dikembangkan dengan jaringan syaraf tiruan (ANN) (Nuriyawati, 2006). Model persamaan pindah panas dibagi menjadi tiga elemen, yaitu lapisan atap, udara dalam greenhouse, permukaan lantai dan lapisan tanah. Algoritma Genetik Salah satu teknik optimasi yang banyak digunakan akhir-akhir ini adalah algoritma genetik (AG). Penggunaannya dalam kontrol greenhouse dilakukan oleh Ursem et al. (2002), optimisasi penjadwalan air irigasi oleh Nixon et al., (2001), optimisasi tata guna lahan oleh Matthews (2001), penjadwalan pemasokan larutan nutrisi pada sistem aeroponik tanaman kangkung Zulaedah (2005), perencanaan golongan pemberian air Soehadi et al., (2006). AG menggunakan analog alami, yaitu adaptasi evolusi biologis, individuindividu terbaik dalam suatu populasi akan mengalami persilangan dan mutasi, individu yang lebih baik dapat bertahan, sedangkan yang lemah akan punah. Populasi terdiri dari individu-individu (kromosom), masing-masing mempresentasikan penyelesaian yang mungkin untuk suatu permasalahan. 9

30 Masing-masing kromosom mempunyai nilai fitness yang bersesuaian dengan kelayakan solusi permasalahan. Beberapa individu dalam populasi dengan nilai fitness lebih baik, berpeluang untuk beriterasi (reproduksi). Dalam prosesnya akan terjadi rekombinasi (cross over) dan mutasi. Setelah mengalami seleksi akan menghasilkan individu-individu baru yang diharapkan merupakan solusi yang paling mungkin. Agar jumlah populasi sama dengan populasi generasi sebelumnya, maka individu dengan nilai fitness rendah dibuang. Generasi berikutnya hanya dipilih yang mempunyai nilai fitness terbaik. Proses ini diulang sampai generasi yang didinginkan atau nilai fungsi fitness yang paling tinggi untuk penyelesaian permasalahan. Salah satu kelebihan AG adalah mampu belajar dan beradaptasi, yaitu hanya memerlukan informasi tentang struktur kromosom (individu) dan bentuk fungsi fitness dari permasalahan yang dihadapi kemudian akan mencari solusi terbaik untuk permasalahan yang dihadapi (Yandra dan Hermawan, 2000). AG mempunyai karakteristik yang berbeda dengan prosedur pencarian atau teknik optimasi lainnya. Berikut adalah karakteristik AG sehingga membedakan dengan teknik optimasi lainnya: 1) AG bekerja dengan pengkodean himpunan solusi permasalahan berdasarkan parameter yang telah ditetapkan, 2) AG melakukan pencarian pada sebuah populasi dari sejumlah individu-individu yang merupakan solusi permasalahan, bukan hanya dari sebuah individu, 3) AG menggunakan informasi fungsi objektif (fitness), sebagai cara untuk mengevaluasi individu yang mempunyai solusi yang terbaik, bukan turuan dari suatu fungsi. Variabel-variabel yang digunakan pada AG sebagai berikut: 1) Fungsi fitness, yang dimiliki oleh masing-masing individu untuk menentukan tingkat kesesuaian individu tersebut dengan kriteria yang ingin dicapai, 2) Populasi jumlah individu dilibatkan dalam setiap generasi, 3) Peluang (probabilistik) terjadi rekombinasi pada suatu generasi, 4) Peluang terjadi mutasi pada setiap transfer bit, dan 5) Jumlah generasi yang akan dibentuk yang menetukan lama dari penerapan AG. Representasi atau pengkodean merupakan bagian penting dari AG. Setiap individu diwakili oleh sebuah kromosom yang tersusun beberapa gen. Setiap parameter dipresentasikan oleh gen. Gen-gen tersebut berbentuk nilai dalam tipe 10

31 string. String tersebut biasanya dalam benntk biner, desimal, alfabet ataupun kode lain yang dapat digunakan untuk mempresentasikan suatu parameter yang akan dicari. Jika menggunakan biner maka nilai biner tersebut dijadikan desimal dan dinormalisasi ke dalam nilai minimum dan maksimum setiap parameter. Tahapan AG disajikan pada Gambar 1. 11

32 Populasi awal Fungsi fitness Pengurutan dan seleksi Rekombinasi Fungsi fitness Mutasi Tidak Seleksi Generasi > target generasi Ya Selesai Gambar 1 Tahapan Algoritma Genetik 12

33 PENDEKATAN TEORITIS Radiasi Matahari pada Bidang Horisontal Matahari merupakan sumber energi terbesar. Radiasi matahari yang sampai permukaan bumi ada yang diserap dan dipantulkan kembali. Dua komponen radiasi matahari adalah radiasi langsung (direct radiation) dan radiasi diffuse (W/m 2 ) (Takakura, 1989). Radiasi matahari langsung adalah radiasi matahari yang dipancarkan tanpa di baurkan. Radiasi matahari diffuse radiasi matahari langsung yang dibaurkan (Duffie dan Beckman, 1980). Ketinggian matahari (α), sudut datang radiasi matahari sesaat pada permukaan (θ) dan azimut matahari (ψ) mempengaruhi besar sudut datang radiasi matahari (Esmay et al., 1986). Gambar 2 memperlihatkan sudut datang radiasi matahari pada permukaan horisontal. Gambar 2 Sudut datang radiasi matahari pada permukaan horizontal (Lunde, 1980) Sudut datang radiasi matahari (θ) pada permukaan penutup greenhouse bergantung arah orientasi atap dan altitude matahari (Esmay et al., 1986; Duffie dan Beckman, 1980). Altitude matahari (α) di suatu tempat pada latitude (φ) dapat diketahui dengan persamaan: sin α = cosφ cosδ cos h + sinφ sinδ...(1) 13

34 δ merupakan deklinasi matahari dalam derajat dan ω merupakan sudut jam matahari. Deklinasi matahari adalah sudut yang dibentuk oleh matahari dengan bidang equator yang setiap saat dapat diperkirakan (Jansen, 1995; Duffie dan Beckman, 1980; Esmay et al., 1986). Deklinasi surya diduga dengan persamaan berikut (Cooper, 1969): 284+ n δ = 23.45sin (2) 365 Sudut jam matahari besarnya 15 o per jam, negatif pada pagi hari, sama dengan nol pada siang hari dan positif pada sore hari. n merupakan hari dari tahun yang bersangkutan (Julian Day). Sudut jam matahari wilayah Indonesia bagian barat dengan lokasi pada longitude adalah: LGT 105 h = ( WIB 12) + + EQT x (3) EQT merupakan persamaan waktu menurut Caruthers et al. (1990) adalah: EQT = sin cos ( t) sin (2t) sin ( 3t ) 12.47sin( 4t) () t cos( 2t) cos( 3t )...(4) dimana t = ( n) 14

35 Radiasi Matahari pada Penutup Atap Gambar 3 Sudut datang radiasi matahari pada atap bangunan berorientasi timurbarat (Esmay et al., 1983) Gambar 3 memperlihatkan sudut datang radiasi matahari pada kemiringan atap bangunan berorientasi timur-barat di belahan bumi utara. K adalah cosinus dari sudut radiasi matahari. Atap yang menghadap utara dengan sudut kemiringan β terhadap horisontal nilai K dapat dihitung dengan persamaan(esmay et al.,1983): o ( β α ) K = cos 90...(5) u Atap yang menghadap selatan adalah: o ( + β α ) K = cos 90...(6) s Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk penutup greenhouse tipe standard peak, K sp adalah: K sp = (K u + K s )/2...(7) 15

36 Sudut datang radiasi matahari pada kemiringan atap bangunan berorientasi utara-selatan dapat dilihat pada Gambar 4. Nilai K dari atap yang menghadap timur dan barat dapat diperoleh dengan persamaan berikut (Esmay et al.,1986): ( 90 α ) cos β K K = cos...(8) u = s Gambar 4 Sudut radiasi matahari pada kemiringan atap berorientasi Utara-Selatan (Esmay et al., 1983) Pindah Panas dalam Greenhouse Bangunan greenhouse mendapatkan panas dan kehilangan panas melalui peristiwa perpindahan panas secara radiasi, konveksi dan konduksi. Skema proses perpindahan panas pada greenhouse dapat dilihat pada Gambar 5. Pindah panas diasumsikan terjadi dalam kondisi quasi steady state, yaitu suhu udara dan sifat fisik udara dianggap tidak mengalami perubahan selama interval waktu pengukuran, dan nilainya berubah sesaat sebelum bergerak ke interval waktu berikutnya. 16

37 Radiasi gelombang pendek Ventilasi alamiah Ventilasi alamiah Evaporasi Reradiasi gelombang panjang (terperangkap) Konduksi Radiasi gelombang panjang Konveksi Konveksi Gambar 5 Lingkungan termal greenhouse Suhu udara penutup greenhouse (T c ), suhu udara dalam greenhouse (T in ), dan lapisan tanah (T f dan T z1 ) dihiitung dari kondisi batas suhu udara di luar greenhouse (T out ) dan suhu udara di bawah lapisan tanah (T BL ). Perpindahan panas antar lapisan menurut Bot (2001) adalah: Penutup Greenhouse dengan Udara Luar Panas konveksi yang terjadi dari penutup ke udara luar karena pengaruh angin diasumsikan sebagai konveksi paksa, sehingga kecepatan angin di luargreenhouse (WS) sangat berpengaruh dan dijadikan input setiap jam. Koefisien pindah panas konveksi karena pengaruh angin (h w ) pada permukaan datar adalah: h w = WS...(9) Pindah panas radiasi thermal dengan langit dihitung dengan persamaan berikut: R 4 4 ( T ) ( T ) t = SBC x Absc2 x c sky )...(10) 17

38 Absc 2 adalah absorptivitas bahan penutup terhadap gelombang panjang. T sky tidak diukur, tetapi didekati dengan persamaan berikut (Duffie et al., 1974): sky x Tout T =...(11) Radiasi matahari yang diperhitungkan merupakan radiasi matahari pada permukaan horizontal dikalikan dengan sudut datang penutup greenhouse (K) dan absorptivitas bahan penutup terhadap radiasi gelombang pendek (Absc 1 ) seperti persamaan berikut: R = RAD x Absc 1 x K...(12) Penutup Greenhouse dengan Udara Dalam Pindah panas konveksi yang terjadi karena perbedaan suhu udara penutup greenhouse dan udara dalam (konveksi bebas) dan pergerakan udara dalam greenhouse karena ventilasi dan sirkulasi udara (konveksi paksa), sehingga konveksi paksa menjadi dominan (Bot, 2001). h i dapat diketahui dengan persamaan berikut (Holman, 1994): 1 ( T T )/ )4 h = 1.30 x L...(13) i c in Pindah panas radiasi thermal dihitung dengan perkalian antar konstanta Boltzman dengan suhu udara absolut penutup greenhouse dan suhu udara absolut komponen tidak tembus cahaya. Permukaan Lantai dengan Udara dalam Greenhouse Pindah panas yang terjadi adalah pindah panas konveksi dengan koefisien pindah panas (h f )besarnya hampir sama dengan h i (Bot, 2001). Permukaan Lantai dengan Lapisan Tanah Pindah panas yang terjadi adalah pindah panas konduksi. Jika tanah dan lantai diasumsikan satu blok tanah maka yang dihitung adalah rata-rata suhu udara lapisan tanah. Kondisi quasi steady state, lapisan tanah dibagi menjadi dua lapisan yaitu lapisan pertama adalah lapisan permukaan tanah (Z o ) dan lapisan kedua 18

39 adalah lapisan tanah sampai kedalaman tertentu(z1) yang temperaturnya diketahui (T BL ) (Hillel, 1998). Pertukaran Udara Langsung antara Udara Dalam dan Udara Luar melalui Ventilasi Menurut Bot (2001), koefisien pindah panas akibat pengaruh ventilasi (h v ) didekati dengan persamaan: h v = V air x C a...(14) V air = E x A x V x ε V air adalah flux volume pertukaran udara (m 3 /s) dan C a adalah panas jenis udara (kj/m 3o C), A adalah luas bukaan (m 2 ), E adalah koefisien angin tegak lurus terhadap bukaan (0.3 sampai 0.6) (Esmay dan Dixon, 1986), V adalah kecepatan angin (m/s) dan ε adalah porositas kasa. Sesuai dengan pindah panas yang terjadi antara ketiga elemen dalam sistem dan mengasumsikan bahwa semua elemen adalah homogen secara horisontal dan vertikal, maka persamaan kesetimbangan panas yang terjadi pada setiap elemen per satuan luas adalah sebagai berikut: Kesetimbangan Panas pada Lapisan Penutup Per Satuan Luas C c x TH c x dtc/dt = ((RAD x Ab sc1 x K) + SBC x Ab sc2 x ((T c ) 4 - (T sky +273) 4 ) -h i x (T c -T in ) h w (T c -T out )...(15) Kesetimbangan Panas pada Udara Dalam Per Satuan Luas C a x AH x dtin/dt =h i x r x (T c -T in )+ h f x (T f -T in )+ h v x (T out -T in )...(16) Radiasi matahari yang ditransmisikan ke dalam greenhouse dan diserap oleh tanaman kemudian dilepaskan ke udara dalam greenhouse sebagai panas sensibel. Besarnya radiasi diperkirakan 0.33 dan 0.67 sisanya untuk evaporasi tanaman (Bot, 2001). Nilai radiasi tersebut tidak dipertimbangkan dalam simulasi karena greenhouse yang dianalisis tanpa tanaman. 19

40 Kesetimbangan Panas pada Permukaan Lantai Per Satuan Luas C f x z o x dt/dt =Abss x RAD x T polycarbonate x K - 2 x k s x (T f -T z1 )/ (zo+z1) h i x (T f -T in ) SBC x E ms x ((T f +273) 4 -(T c +273) 4 )...(17) Kesetimbangan Panas pada Lapisan Tanah Per Satuan Luas C f x zl x dt zl /dt = 2 x k s x (T f -T zl )/ (zo+zl) + 2 x k s x (T BL -T zl )/zl...(18) 20

41 BAHAN DAN METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian dilakukan pada bulan Maret 2007 sampai dengan Mei 2007 di Greenhouse Departemen Teknik Pertanian, Leuwikopo, IPB. Bahan dan Alat Greenhouse Greenhouse yang digunakan dalam penelitian bertipe standar peak dengan kemiringan 25 o, arah orientasi utara selatan, BT, 6.33 LS. Tampak depan dan tampak samping greenhouse tersebut disajikan pada Gambar 6 dan 7. Greenhouse tersebut memiliki panjang 12 m, lebar 4 m, tinggi dinding 2.5 m, tinggi bubungan 3.93 m dan lebar ventilasi atap 0.5 m. Greenhouse menggunakan kayu sebagai tiang utama. Ventilasi dinding berupa kasa dengan ukuran 40 x 38 mesh, sedangkan atapnya menggunakan bahan dari polycarbonate dengan ketebalan 8 mm. Tampak Depan Gambar 6 Tampak depan greenhouse existing 21

42 Tampak Samping Gambar 7 Greenhouse standar peak existing yang digunakan sebagai bahan analisis modifikasi Alat Ukur Iklim Mikro dan Cuaca Sekitar Greenhouse Alat yang digunakan dalam penelitian meliputi wether station dan translator merk Young Model yang terdiri dari sensor kecepatan angin dan arah angin (anemometer), sensor suhu dan kelembaban (pshychrometer), sensor tekanan udara (barometer), sensor radiasi matahari (pyranometer), dan sensor curah hujan (typing bucket precip gauge), Pyranometer Model MS-42 Seri A83182, oil bath, termometer, termokopel dan Hybrid recorder Tipe HR Termokopel digunakan untuk mengukur suhu udara permukaan atap, suhu udara permukaan lantai, suhu udara batas antara permukaan lantai dan permukaan tanah, serta suhu udara pada kedalaman 0.15 m dan 0.30 m dari permukaan lantai greenhouse. Oil bath dan termometer standar digunakan untuk kalibrasi termokopel yang akan digunakan. Kalibrasi bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara suhu udara yang terukur oleh termokopel dengan suhu udara yang terukur oleh termometer standar. 22

43 MetodePenelitian Analisis dan Pengukuran Pengukuran meliputi kondisi cuaca sekitar greenhouse dan iklim mikro di dalam greenhouse, yaitu meliputi pengukuran radiasi matahari (W/m 2 ), suhu udara di dalam dan suhu luar greenhouse ( o C), kecepatan angin (m/s), arah angin (derajat), curah hujan (mm/hari), suhu udara permukaan lantai, suhu udara batas antara permukaan lantai dengan permukaan tanah, dan suhu udara pada lapisan tanah dengan kedalaman 0.15 m dan 0.30 m ( o C), serta suhu udara di atap greenhouse. Weather station dipasang di luar greenhouse untuk mengetahui iklim mikro di sekitar greenhouse. Weather station dihubungkan dengan translator merk Young untuk menampilkan hasil pengukuran pada komputer sebagai penyimpan data. Weather station dikalibrasi dengan pyranometer Model MS-42 Seri A Skema titik pengukuran disajikan pada Gambar 8. Penggunaan alat pada greenhouse disajikan pada Gambar 9. Keterangan: 1. Suhu udara atap bagian timur 2. Suhu udara atap bagian barat 3. Suhu udara dalam greenhouse (2.20 m) 4. Suhu udara dalam greenhouse (2.10 m) 5. Suhu udara permukaan lantai 6. Suhu udara pada kedalaman tanah 0.15 m 7. Suhu udara pada kedalaman tanah 0.30 m m 2 m Gambar 8 Titik pengukuran dalam greenhouse 4 Analisis sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse Sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse digunakan untuk mengetahui nilai radiasi matahari langsung yang ditransmisikan oleh penutup 23