HASIL DAN PEMBAHASAN. Sudut Datang Radiasi Matahari pada Penutup Atap Greenhouse

Transkripsi

1 HASIL DAN PEMBAHASAN Sudut Datang Radiasi Matahari pada Penutup Atap Greenhouse Data pengukuran yang digunakan dalam simulasi adalah: tanggal 29 Maret, 30 Maret 2007 dipilih mewakili data cuaca berawan dan hujan, dengan radiasi total harian secara berturut-turut Wh/m 2, Wh/m 2. Tanggal 1 April dan 2 April 2007 dipilih mewakili data cuaca cerah dengan radiasi total harian Wh/m 2 dan Wh/m 2. Gambar 11 menunjukan perubahan radiasi harian selama pengukuran. Radiasi total harian dapat dilihat pada Gambar 12. Radiasi matahari berubah setiap saat dengan titik maksimum pada siang hari, besarnya radiasi matahari dipengaruhi oleh letak geografis, dan iklim, terutama kondisi langit (jumlah dan jenis awan). Kondisi awan berpengaruh pada distribusi dan besarnya luminansi langit dan menentukan jumlah radiasi matahari yang sampai pada permukaan bumi (Soegiyanto, 1998). Fluktuasi radiasi surya menentukan besarnya suhu udara yang terjadi di dalam greenhouse. Suhu udara dalam greenhouse akan meningkat menjadi sekitar 37 o C-48 o C pada saat penyinaran matahari sedang berlangsung (Soegiyanto, 1998). Radiasi matahari (W/m 2 ) :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 Pukul (WIB) 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 29 Maret Maret Apr-07 2-Apr-07 Gambar 11 Perubahan radiasi matahari harian selama pengukuran. 31

2 5000 Radiasi total harian (Wh/m 2 ) Maret 30 Maret 1-Apr 2-Apr Tanggal Gambar 12 Radiasi total harian selama pengukuran. Nilai kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse pukul 6:00 WIB adalah sebesar 0.01, kemudian meningkat mencapai 0.8 pada pukul 12:00 WIB, dan selanjutnya menurun sampai pukul 18:00 WIB. Gambar 13 menyajikan nilai kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse single span tipe standar peak. Nilai kosinus sudut datang radiasi matahari (K) berubah sejalan dengan berubahnya altitude (α) atau ketinggian matahari. Semakin meningkat ketinggian matahari maka nilai K juga semakin meningkat. Nilai α dan K terus meningkat sampai tengah hari (Pukul 12: 00 WIB) dan setelah itu menurun. cos teta :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 Pukul (WIB) 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Gambar 13 Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse yang berorientasi Utara-Selatan pada tanggal 29 Maret

3 Radiasi matahari pada ketinggian matahari lebih besar dari 50 o dipengaruhi oleh posisi matahari terhadap bidang pantul, reflektansi bidang pemantul, posisi bidang pemantul terhadap lubang cahaya dan reflektansi permukaan-permukaan dalam ruangan (Soegijanto, 1998). Transmisivitas adalah sifat fisik bahan penutup greenhouse. Struktur greenhouse secara langsung mempengaruhi jumlah radiasi langsung dan radiasi sebaran. Penutup greenhouse mentransmisikan radiasi langsung dan radiasi sebaran, tetapi jenis penutup greenhouse mempunyai kemampuan yang berbedabeda untuk meneruskan radiasi tersebut. Semakin besar nilai sudut datang radiasi matahari maka semakin kecil radiasi yang ditransmisikan oleh penutup greenhouse. Pada sudut datang 0 o, 91% radiasi matahari di transmisikan oleh penutup (kaca) greenhouse, 8% di pantulkan dan 1% akan diserap oleh kaca tersebut. Pada sudut datang 0 45 o, transmisivitas berubah sangat kecil. Pada sudut datang o, nilai transmisivitas akan menurun dengan cepat sehingga radiasi yang dipantulkan lebih besar dari pada radiasi yang ditransmisikan (Mastalarerz, 1977). Penentuan transmisivitas bahan penutup memerlukan pengukuran yang akurat. Penentuan nilai transmisivitas bahan penutup dari kaca dilakukan dalam skala laboratorium. Faktor utama yang menyebabkan perbedaan radiasi matahari yang ditransmisikan adalah: 1) hari dan jam dalam setahun, 2) latitude, 3) kondisi iklim setempat, 4) dominasi radiasi sebaran atau radiasi matahari, 5) kualitas spektral atau panjang gelombang radiasi, dan 6) karakeristik bahan penutup (instalasi dan pengaruh waktu oleh polusi, debu, dan akumulasi kotoran). Transmisivitas juga dipengaruhi oleh struktur fisik greenhouse, seperti : 1) sudut dan bentuk atap, 2) jumlah span (single span atau multi span), 3) tinggi dinding, 4) rasio panjang dan lebar bangunan, dan 5) orientasi bangunan. (Giacomelli dan Roberts, 1993). Greenhouse yang digunakan dalam penelitian adalah bertipe single span, dengan kemiringan atap 25 o, bahan konstruksi greenhouse adalah kayu, bahan penutup polycarbonate. Polycarbonate yang umum digunakan mempunyai ketebalan 4, 6, 8, 10 dan 16 mm. Transmisivitas polycarbonate dengan ketebalan 8 dan 10 mm adalah 77 % dan 76 % (Nelson, 2003). Gambar 14 menyajikan 33

4 transmisivitas radiasi matahari dalam greenhouse bahan penutup polycarbonate. Perubahan transmisivitas radiasi matahari dengan sudut datang matahari bahan polycarbonate disajikan pada Gambar 15. Radiasi matahari (W/m 2 ) :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 Pukul (WIB) 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18: Radiasi yang diterima (W/ m2) Radiasi yang diteruskan (W/m2) Gambar 14 Radiasi matahari yang sampai ke dalam greenhouse dari bahan penutup polycarbonate. Transmisivitas (%) cos teta ( o ) Gambar 15 Transmisi radiasi matahari yang melalui polycarbonate. sesuai dengan sudut datang matahari. Dari gambar 14 diketahui bahwa dari kemiringan atap 25 o sekitar 34.12% radiasi matahari yang ditransmisikan ke dalam greenhouse. Gambar 15 menunjukkan bahwa transmisivitas radiasi matahari merupakan fungsi sudut 34

5 datang matahari. Transmisivitas radiasi matahari meningkat sampai pada sudut datang 47 o, dan menurun dengan cepat pada sudut datang lebih besar dari 47 o. Transmisivitas radiasi matahari ke dalam greenhouse mempengaruhi kualitas dan kuantitas produk (Papakids, et.al, 1998). Transmisivitas di dalam greenhouse dapat ditingkatkan atau diturunkan melalui modifikasi geometri atap greenhouse (Cockshull, 1989; Castilla dan Galvez, 1994). Studi transmisivitas radiasi matahari di dalam greenhouse telah dilakukan dalam bentuk model utnuk daerah dengan latitude LU. Model greenhouse dibuat dalam berbagai bentuk, terdiri dari 7 buah kemiringan atap yang berbeda (8 o 18 o, 18 o 8 o, 27 o 27 o, 27 o 45 o, 36 o 55 o, 45 o 27 o, 55 o 36 o ). Hasil studi menunjukkan bahwa transmisi radiasi matahari langsung meningkat dengan bertambah besarnya kemiringan sudut atap sampai 30 o. Greenhouse dengan bentuk asimetri tidak selalu mentransmisikan radiasi matahari lebih besar dibandingkan dengan bentuk greenhouse simetri pada kemiringan sudut yang sama (Soriano, et.al., 2004). Bahan penutup merupakan komponen penting dalam bangunan greenhouse. Pemilihan bahan penutup meliputi sifat fisik dari tarnsmisivitas radiasi dan pindah panas (Giacomelli dan Roberts, 1993; Kessler, 1998). Pemilihan bahan penutup greenhouse didasarkan pada tujuan aplikasi. Beberapa faktor yang menentukkan pemilihan bahan penutup greenhouse adalah letak geografi greenhouse, arah orientasi, pengalaman pengguna, desain greenhouse. Model Pindah Panas dalam Greenhouse Simulasi untuk model pindah panas dalam greenhouse menggunakan persamaan kesetimbangan panas di penutup, di udara dalam, permukaan lantai dan lapisan tanah. Model tersebut dikembangkan oleh Romdhonah (2002) dengan bahasa Q-Basic untuk greenhouse tipe sere dan tunel dan Nuryawati (2006) untuk greenhouse single span dengan bahan penutup kaca. Karakteristik greenhouse meliputi dimensi greenhouse, karakteristik bahan penutup, kemiringan atap, sifat fisik udara dalam greenhouse dan karakteristik lantai. Karakteristik tersebut dijadikan input dalam simulasi pindah panas dalam greenhouse. 35

6 Data kondisi cuaca di sekitar greenhouse juga dijadikan input dalam simulasi, yang terdiri dari radiasi matahari, kecepatan angin dan suhu udara dalam greenhouse. Data kondisi cuaca hasil pengukuran yang digunakan sebagai input simulasi disajikan pada Lampiran 3. Gambar 16, 17 dan 18 merupakan kondisi cuaca sekitar greenhouse. Program simulasi dibuat menggunakan bahasa Delphi 5.0. Program dibuat dengan menggunakan persamaan-persamaan pindah panas dalam greenhouse yang diselesaikan dengan metode Runge-Kutta. Perhitungan dimulai pukul 6:00 dengan syarat awal untuk suhu udara penutup greenhouse, suhu udara dalam greenhouse, suhu udara permukaan lantai dan suhu udara lapisan tanah pada kedalaman z 1 yang didapat dari pengukuran dan dijadikan input dalam perhitungan Runge-Kutta. Dalam simulasi koefisien pindah panas pada lantai (h f ) tidak berubah selama simulasi. Kecepatan Angin di Sekitar Greenhouse 2 29 Maret Maret 2007 WS (m/s) :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 Pukul (WIB) 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 1-Apr-07 2-Apr-07 Gambar 16 Kecepatan angin di sekitar greenhouse. 36

7 Tout 30 Maret 2007 Tout 1 April 2007 Tout 2 April 2007 Tin 30 Maret 2007 Tin 1 April 2007 Tin 2 April :00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 Gambar 17 Suhu udara di luar dan di dalam greenhouse. 100 Kelembaban Udara di sekitar greenhouse RH (%) :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 Pukul (WIB) 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 29 Maret Maret Apr-07 2-Apr-07 Gambar 18 Kelembaban udara di sekitar greenhouse. Suhu udara di dalam greenhouse pada pukul pada kondisi cerah tanggal 30 Maret mencapai suhu o C. Gambar 17 menunjukkan bahwa perbedaan suhu udara di luar dan di dalam greenhouse mencapai 3 o C. Suhu udara berpengaruh terhadap proses fisik dan kimiawi tanamam. Kondisi optimal bagi pertumbuhan tanaman dapat diperoleh dengan mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi lingkungan di dalam bangunan greenhouse serta penggunaan pengontrol lingkungan. Di dalam greenhouse terjadi peningkatan suhu udara menurunkan kerapatan udara, sehingga terjadi perbedaan kerapatan udara di dalam dam di luar greenhouse. Hal tersebut menyebabkan perbedaan tekanan 37

8 udara, sebagai akibatnya terjadi aliran udara keluar masuk greenhouse melalui bukaan (Brockett dan Albright, 1987). Angin merupakan faktor penting dalam proses pertukaran udara khususnya oksigen dan karbondioksida dari dan kelingkungan. Pertukaran udara (ventilasi) dari luar ke dalam greenhouse adalah proses yang berakibat terhadap iklim mikro greenhouse. Hal ini tidak hanya melibatkan keseimbangan energi dan suhu udara tetapi gaya keseimbangan komponen udara dan komponen uap air, karbondioksida dan gas lain (Bot, 1983). Ventilasi alam berpotensi memperkecil biaya operasi bangunan pertanian. Namun sulit mengatur ventilasi alam tetap kontinyu, karena variabel ventilasi alam adalah suhu udara luar, kecepatan dan arah angin yang sulit untuk dikendalikan (Zhang et.al., 1989).Ventilasi (h v ) merupakan faktor penting untuk diperhitungkan dalam mendesain greenhouse (Kozai dan Sase, 1979). Semakin besar laju ventilasinya maka semakin besar nilai h v, dan semakin besar pindah panas yang terjadi. Kecepatan angin yang melebihi1.8 m/s efek termal terhadap laju ventilasi dapat diabaikan, tetapi bila kecepatan angin lebih rendah dari 1.8 m/s maka efek termal tidak dapat diabaikan (Papadakids et.al., 1996). Kecepatan angin yang ratarata hasil pengukuran adalah 1.5 m/s. Konstanta yang digunakan dalam simulasi disajikan pada Tabel 2. Simbol Keterangan Nilai 38

9 Absc1 Absorptivitas penutup greenhouse terhadap gelombang pendek 0.02 (Critten dan Bailey, 2002) Absc2 Absorptivitas penutup greenhouse terhadap gelombang panjang 0.01 (Critten dan Bailey, 2002) Abss Absorptivitas lantai 0.60 (Esmay et al., 1986) C a Panas jenis volumetrik udara 1 kj/m 3o C ( C c Panas jenis volumetrik bahan penutup 2184 kj/m 3o C (Esmay et al., 1986) C f Panas jenis volumetrik lantai 1710 kj/m 3o C (Lunde, 1980) EP Tinggi dinding samping greenhouse 2.5 m E ms Emisivitas lantai 0.88 (Esmay et al., 1986) E Efektivitas bukaan (Esmay dan Dixon, 1986) ε Porositas kasa 0.1 (Harmanto, et al., 2004) h f Koefisien pindah panas konveksi dari permukaan lantai ke udara dalam 7 W/ o C (Bot, 2001) k s Konduktivitas panas tanah 1.28 W/mK ( L Panjang greenhouse 12 m LAT Latitude 6.33 m LGT Longitude BT RP Tinggi bubungan 3.93 m SBC Tetapan Stefan Boltzman 5.6E-08 SW Lebar greenhouse 4 m TBL Suhu udara lapisan tanah yang dianggap 31.2 o C konstan TZ Time Zone 105 Tpolycarbonate Transmisivits polycarbonate 0.77 (Nelson, 2003) z o Ketebalan lapisan permukaan tanah 0.05 m Z1 Ketebalan tanah lapisan pertama 0.15 m Tabel 2 Konstanta yang digunakan dalam simulasi pendugaan suhu udara dalam greenhouse 39

10 Hasil keluaran simulasi dibandingkan dengan hasil pengukuran. Grafik perbedaan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 19 sampai dengan Gambar 22. Perbedaan hasil simulasi dan hasil pengukuran disajikan dalam Tabel 3. Tabel 3 Perbedaan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 29 Maret 2007 sampai 2 April 2007 Ket: S = simulasi Waktu (Jam) 29 Maret Maret Apr-07 2-Apr-07 S P S P S P S-P S P S-P S P S-P Min Max Ratarata P = pengukuran Dari Tabel 3 di atas dapat dilihat bahwa perbedaan rata-rata suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran pada tanggal 29 Maret sampai 2 April 2007 adalah sebesar o C. 40

11 Suhu udara ( o C) Hasil pendugaan Hasil pengukuran Pukul (WIB) Gambar 19 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dan hasil pengukuran tanggal 29 Maret Suhu udara ( o C) Hasil pendugaan Hasil pengukuran Pukul (WIB) Gambar 20 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 30 Maret

12 40 Suhu udara ( o C) Hasil pendugaan Hasil pengukuran Pukul (WIB) Gambar 21 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 1 April Suhu udara ( o C) Hasil pendugaan Hasilpengukuran Pukul (WIB) Gambar 22 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 2 April Validasi Model Program komputer untuk memprediksi suhu udara di dalam greenhouse dibuat dalam bahasa Delphi 5.0. Program pindah panas untuk memprediksi suhu udara di dalam greenhouse telah dikembangkan oleh Romdhonah (2002) dengan nilai regresi sebesar dan Nuriyawati (2006) dengan nilai regresi sebesar dan Y = x Suhu udara hasil simulasi akan semakin akurat apabila koefisien intersepnya mendekati nol dan gradiennya mendekati 1. 42

13 Gambar 23 menunjukkan nilai regresi antara hasil simulasi dengan pengukuran pada penelitian ini. Persamaan regresi yang terbentuk adalah Y = x , sedangkan koefisien determinasi (R 2 ) sebesar Gambar tersebut mengungkapkan bahwa kesalahan hasil pengukuran dan pendugaan suhu udara dalam greenhouse dengan Average Percentage of Deviation (APD) adalah sebesar 7.8 % 40 Tin Pendugaan ( o C) y = x R 2 = APD = 7.8% Tin Pengukuran ( o C) Gambar 23 Hubungan suhu udara hasil simulasi dengan hasil pengukuran. Penggunaan asumsi yang lebih rinci, misalnya dengan mempertimbangkan radiasi baur, radiasi pantulan, menganggap lapisan tidak homogen mungkin dapat menghasilkan pendugaan suhu udara yang lebih baik. Optimasi Sudut atap dan Tinggi Dinding dengan Algoritma Genetik Optimasi dilakukan untuk mendapatkan suhu udara di dalam greenhouse terendah yang dapat dicapai dari pengendalian alami variabel perancangan greenhouse, sehingga diketahui sudut atap dan tinggi dinding yang optimum. Nilai input yang digunakan dalam optimasi dengan algoritma genetik disajikan pada Tabel 4. 43

14 Tabel 4 Data input algoritma genetik Parameter Nilai Julian day 89 dan 90 Longitude Latitude 6.33 Jam 8-16 Tc o Tf o Tin TBL TZ Kecepatan angin Radiasi matahari rata-rata 0, 1.1, 2.4, dan W/m 2 dan 531 W/m 2 Parameter algoritma genetik yang digunakan meliputi target generasi yang ingin dicapai, jumlah individu dalam populasi, jumlah gen yang merepresentasikan tiap individu, probabilitas crossover serta probabilitas mutasi. Nilai masing-masing parameter yang digunakan untuk optimasi dalam penelitian disajikan pada Tabel 5. Tabel 5 Parameter algoritma genetik Parameter Nilai Target generasi 100 Jumlah individu dalam populasi 20 Jumlah gern per parameter 12 Probabilitas crossover (%) 95 Probabilitas mutasi (%) 5 Fungsi fitness yang digunakan dapat dituliskan sebagai berikut: F = 1 Rataan T in keterangan: F Tin : Suhu udara rata-rata terendah dalam greenhouse : Suhu udara dalam greenhouse 44

15 Suhu udara rata-rata terendah dalam greenhouse (Rataan T in ) pada proses optimasi dimulai dari jam 8.00 sampai dengan jam Rataan T in yang digunakan adalah: Rataan T in 16 1 = T 9 i= 8 in () i Kekonsistenan hasil optimasi dapat diketahui dengan melihat proses optimasi algoritma genetik. Contoh data populasi awal, perubahan fitness, dan populasi akhir pada kedua proses optimasi disajikan pada Lampiran 4 sampai Lampiran 15. Grafik sudut atap greenhouse yang optimum selama proses optimasi, suhu udara selama proses optimasi, dan perubahan nilai fitness suhu udara dalam greenhouse, disajikan pada Gambar 24 sampai Gambar 47. Hasil optimasi dengan algoritma genetik dengan radiasi rata-rata 340 W/m 2 dan 531 W/m 2 disajikan pada Tabel 6 dan 7. Tabel 6 Hasil optimasi AG untuk radiasi rata-rata 340 W/m 2 Kecepatan angin (m/s) Sudut atap ( o ) Tinggi dinding (m) Tin ( o C) Tabel 7 Hasil optimasi AG untuk radiasi rata-rata 531 W/m 2 Kecepatan angin (m/s) Sudut atap ( o ) Tinggi dinding (m) Tin ( o C)

16 Suhu ( 0 C) Generasi Ke- Gambar 24 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m Sudut atap (oc) Gambar 25 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m 2. 46

17 Fitness Gambar 26 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m Suhu ( o C) Gambar 27 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m 2. 47

18 Sudut ( o ) Gambar 28 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s radiasi 340 W/m Fitness Gambar 29 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m 2. 48

19 Suhu( o C) Gambar 30 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m 2. Sudut ( o ) Gambar 31 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s radiasi 340 W/m 2. 49

20 Fitness Gambar 32 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m 2 Suhu ( o C) Gambar 33 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m 2. 50

21 Sudut ( o ) Gambar 34 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s radiasi 340 W/m Fitness Gambar 35 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m 2. 51

22 Suhu ( o C) Gambar 36 Grafik perubahan suhu udara selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 531 W/m 2. Sudut ( o ) Gambar 37 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s radiasi 531 W/m 2. 52

23 Fitness Gambar 38 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 531 W/m 2. Suhu ( o C) Gambar 39 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m 2. 53

24 39.50 Sudut ( o ) Gambar 40 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s radiasi 531 W/m Fitness Gambar 41 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m 2. 54

25 Suhu ( o C) Gambar 42 Grafik perubahan suhu udara selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m Sudut ( o ) Gambar 43 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s radiasi 531 W/m 2. 55

26 Fitness Gambar 44 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m 2. Suhu ( o C) Gambar 45 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 531 W/m 2. 56

27 Sudut ( o ) Gambar 46 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s radiasi 531 W/m Fitness Gambar 47 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 531 W/m 2. Hasil yang diperoleh menunjukan bahwa proses optimasi telah berjalan dengan baik. Proses konvergen mulai dari generasi ke 30. Dari hasil optimasi untuk kondisi radiasi matahari 340 W/m 2 dan 531 W/m 2 dengan suhu udara ratarata di dalam greenhouse o C dan o C diketahui bahwa radiasi matahari dan kecepatan angin mempengaruhi suhu udara di dalam greenhouse. Desain sudut atap bervariasi bergantung pada tingkat kecepatan angin dan radiasi matahari. Untuk mendapatkan rata-rata suhu terendah dalam greenhouse, disain 57

28 sudut atap bervariasi bergantung pada tingkat kecepatan angin dan radiasi matahari. Pada radiasi 340 W/m 2, kecepatan angin 0 m/s sudut atap optimum adalah 37 o, kecepatan angin 1.1 m/s sudut atap optimum 38 o, kecepatan angin 2.4 m/s sudut atap optimum 28 o dan pada kecepatan angin 3.5 m/s sudut atap optimum yang disarankan adalah 27 o. Pada radiasi 531 W/m 2, kecepatan angin 0 m/s sudut atap optimum adalah 38 o, kecepatan angin 1.1 m/s sudut atap optimum 39 o, kecepatan angin 2.4 m/s dan 3.5 m/s sudut atap optimum adalah 30 o. Sudut atap tersebut untuk kondisi pada Julian day ke 89 (29 Maret) dan ke 90 (30 Maret). hal ini sesuai dengan penelitian sebelumnya pada greenhouse yang sama, bahwa suhu udara di dalam greenhouse makin berkurang dengan bertambahnya sudut kemiringan atap (35 o ) karena berkurangnya radiasi matahari yang di transmisikan ke dalam greenhouse (Retnosari, 2003). Sudut atap antara 30 sampai 32 o dapat disarankan pada kecepatan angin antara 2.4 sampai 3.5 m/s pada kedua kondisi (radiasi 340 W/m 2 sampai 531 W/m 2 ). Bentuk greenhouse di daerah subtropika dengan di daerah tropika berbeda. Greenhouse tradisional di Inggris tipe sigle span dibangun dengan ukuran lebar 22 m, tinggi dinding m dan sudut kemiringan atap o C (Critten dan Bailey, 2002). Greenhouse dengan kemiringan sudut atap antara o C (Walls, 1993). Penelitian terdahulu tentang radiasi matahari pada bangunan sudah dilakukan. Berdasarkan hal tersebut dapat dilakukan pengendalian termal dalam bangunan, yaitu melalui pengendalian struktur atau pengendalian pasif. Pengurangan panas pada greenhouse dapat dilakukan melalui perencanaan bangunan yang baik, yaitu dengan pemilihan orientasi bangunan, serta ukuran bangunan, penggunanan fan penutup yang tepat. Orientasi bangunan yang paling sedikit menerima radiasi matahari adalah bangunan membujur arah timur-barat (Soegijanto, 1998). Perancangan greenhouse untuk daerah tropika perlu memanfaatkan ventilasi alamiah semaksimal mungkin agar suhu udara didalamnya tidak terlalu tinggi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan pengendalian alamiah yang dirancang dengan baik, kondisi termal yang panas di dalam bangunan dapat dikurangi lama berlangsungnya (Soegijanto, 1998). 58

29 Laju ventilasi alamiah dapat diperbesar dengan memperluas bukaan ventilasi. Ventilasi alamiah tidak memerlukan biaya operasional. Selain menurunkan suhu udara di dalam greenhouse, ventilasi menghilangkan udara lembab, mengembalikan konsentrasi karbondioksida pada tingkat konsentrasi di udara pada siang hari (Takakura, 1991). Ventilasi alamiah terjadi karena efek termal dan angin. Efek angin terdiri dari efek steady dan efek turbulen. Efek steady terjadi pada saat angin bertiup di atas dan di sekeliling bangunan sehingga membangkitkan perbedaan tekanan pada lokasi yang berbeda dan menghasilkan distribusi tekanan pada bangunan. Efek turbulen terjadi karena kecepatan angin tidak bersifat statis melainkan bervariasi secara kontinyu dan hal ini menghasilkan fluktuasi tekanan. Apabila tekanan ratarata di luar dan di dalam bukaan yang berbeda besarnya sama, maka tekanan sesaat bisa saja berbeda (Bot, 1983). Pada kemiringan atap 0 o dan 10 o seluruh permukaan atap ada pada tekanan kurang. Kemiringan atap 30 o dan 45 o, permukaan atap pada hilir arah datangnya angin berada pada tekanan kurang, sedang permukaan atap pada hulu arah datangnya angin sebagian besar berada pada tekanan lebih besar (Soegijanto, 1998). Efek termal timbul dari perbedaan suhu udara di dalam dan di luar greenhouse. Perbedaan kerapatan udara mengakibatkan perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar greenhouse. Faktor termal tersebut menyebabkan adanya suatu bidang horisontal pada bukaan dimana tidak terjadi aliran udara karena tekanan udara di dalam dan di luar greenhouse sama. Bidang ini disebut bidang tekan netral (Brockett dan Albright, 1987). Perubahan sudut atap menyebabkan berubahnya tinggi dinding samping greenhouse, yaitu semakin besar sudut atap, maka semakin kecil tinggi dinding (bukaan ventilasi dinding samping greenhouse). Hal tersebut karena tinggi bubungan dipertahankan tetap. Pada penelitian ini perubahan tinggi dinding tidak menghasilkan perbedaan suhu yang berarti, Hal ini terjadi apabila faktor termal adalah fakotr dominan yang mempengaruhi ventilasi. Oleh karena itu pada penelitian selanjutnya perlu dikaji pengaruh antara kombinasi modifikasi ventilasi dinding dan atap dengan suhu udara di dalam greenhouse. Apabila ventilasi atap 59

30 tidak berfungsi sebagai inlet maka pengaruh kecepatan angin sangat kecil terhadap laju ventilasi alami pada greenhouse dibandingkan dengan faktor termal, meskipun kecepatan angin cukup tinggi (Muliawati, 2003). Faktor yang mempengaruhi besarnya suhu udara dalam greenhouse adalah tingkat intensitas radiasi matahari, tingkat kapasitas alat pemanas, 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). Untuk dapat merancang ventilasi alami yang terjadi dalam bangunan perlu diketahui pengaruhnya terhadap ventilasi dari bentuk bangunan, ukuran dan penempatan lubang ventilasi, perbandingan luas lubang udara masuk terhadap lubang keluar, jarak antara lubang masuk dengan lubang udara keluar, arah angin terhadap lubang udara masuk, bangunan lain disekitarnya, dan sebagainya. Hasil penelitian sebelumnya menyatakan bahwa, greenhouse dengan menerapkan bukaan samping dan bukaan atap serta penggunaan screen menghasikan laju ventilasi yang lebih baik dibandingkan dengan greenhouse yang hanya memiliki bukaan samping (Katsoulas, et al., 2006). Pada penelitian selanjutnya perlu digunakan pendekatan kesimbangan masa untuk menentukan laju aliran udara berdasarkan prinsip kesetimbangan massa aliran udara masuk dan keluar dari suatu bangunan. Cara ini akan dapat memperoleh hasil akhir sesuai dengan batas ketelitian yang diinginkan. Hasil optimasi sudut atap greenhouse dengan tinggi dinding yang dapat diimplementasikan dari aspek arsitektural adalah 30 o untuk hasil optimasi o dan o, 38 o untuk 37.62, 38 o untuk o, 39 o untuk o, 37 o untuk o, 27 o untuk o dan 28 o untuk o.greenhouse hasil optimasi disajikan pada Gambar 48. Biaya greenhouse hasil optimasi disajikan pada Tabel 8. 60

31 Existing Sudut atap 27 o 61

32 Sudut atap 28 o Sudut 30 o 62

33 Sudut atap 37 o Sudut atap 38 o 63

34 Sudut atap 39 o Gambar 48. Greenhouse hasil optimasi AG Biaya Greenhouse Hasil Optimasi Tabel 8 memperlihatkan bahwa semakin besar sudut atap, maka semakin besar biaya greenhouse, karena harga per satuan luas atap dari polycarbonate lebih mahal dibandingkan dengan harga per satuan luas dinding greenhouse yang terbuat dari konstruksi kayu. Biaya greenhouse paling murah adalah pada sudut atap kecil, yaitu o, tinggi dinding 2.4 m, dengan biaya Rp , sedangkan biaya greenhouse termahal untuk kondisi di atas adalah pada sudut atap o, tinggi dinding 1.81 m, dengan biaya Rp Penurunan suhu udara dari pengendalian alami dari perancangan bangunan menggunakan algoritma genetik di atas sekitar 1-2 o C. Program prediksi suhu udara dalam greenhouse disajikan pada lampiran 16. Perhitungan biaya greenhouse disajikan pada Lampiran

35 Tabel 8 Biaya greenhouse hasil optimasi Sudut atap ( o ) Tinggi dinding (m) Biaya (Rp juta) , Penggunaan atap double layer dapat meminimalkan perbedaan suhu udara dalam dan suhu udara luar greenhouse (Apriliani, 2006). Atap double layer dengan plastik ultraviolet (UV) 14% sebagai lapisan atap kedua mampu menghasilkan iklim mikro dalam greenhouse yang lebih baik bagi pertumbuhan tanaman, karena didapatkan nilai yang mendekati sama dengan iklim mikro diluar greenhouse (Apriliani, 2006). Greenhouse yang dilengkapi dengan bahan shading 67% mampu menurunkan suhu dalam greenhouse ± 3 o C (Wulandari, 2005). Intensitas cahaya matahari yang masuk ke dalam greenhouse lebih tinggi pada greenhouse model single span (Nelson,2003). Bahan penutup atap greenhouse yang umum digunakan 13.2% kaca, 18.5% fiber glass reinforced plastic (FRP) dan 68.3% plastik (Agricultural Statistics Board, 2001). Polycarbonate dengan ketebalan 16 mm mampu menurunkan kehilangan panas 50% pada greenhouse single layer (National Greenhouse Manufacturers Association, 1994). Besarnya transmitansi, absorptansi dan reflektansi radiasi matahari dipengaruhi oleh sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse. Transmitansi akan mulai berkurang pada susut datang lebih besar dari 60 o sampai mendekati nol pada sudut datang menuju 90 o. Absorptansi akan mulai berkurang pada sudut datang lebih besar dari 70 o sampai mendekati nol pada sudut datang menuju 90 o. Reflektansi justru akan bertambah pada sudut datang mulai 70 o dan akan mendekati satu pada sudut datang menuju 90 o. Terjadinya sudut datang yang besar adalah pada pagi atau sore hari (Soegijanto, 1998; Soriano et al., 2004). Oleh karena itu pemilihan bahan penutup greenhouse diperlukan dalam rangka pengendalian termal dalam bangunan. 65

36 Greenhouse yang tanggap terhadap perubahan iklim dapat dirancang dengan baik apabila diketahui harga dan pola perubahan harian, bulanan bahkan tahunan, dari besaran-besaran iklim pada tempat dimana greenhouse tersebut akan dibangun. Kondisi termal dalam greenhouse ditentukan oleh kinerja termal dari greenhouse dan kondisi iklim sekitar. Usaha pengendalian alami dengan mempertimbangkan iklim, sifat fisika bangunan, dan variabel perancangan bangunan, seperti orientasi greenhouse, bentuk, sudut atap dan bahan penutup greenhouse tidak dapat selalu diharapkan dapat menghasilkan kondisi termal sesuai yang diinginkan sepanjang hari, karena elemen bangunan dan lingkungan sekitarnya mempunyai kemampuan pengendalian termal yang terbatas. Meskipun demikian, perancangan bangunan melalui pengendalian alami semaksimal mungkin, dengan memanfaatkan peristiwa alami dan sifat-sifat bahan dan konstruksi greenhouse sangat membantu dalam pengendalian termal greenhouse (Soegijanto, 1998). 66