Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari dan Pengembangan Model Pindah Panas pada Greenhouse Tipe Tunnel yang Dimodifikasi di PT Alam Indah Bunga Nusantara, Cianjur

(1)

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI DAN PENGEMBANGAN MODEL PINDAH PANAS PADA GREENHOUSE

TIPE TUNNEL YANG DIMODIFIKASI

DI PT ALAM INDAH BUNGA NUSANTARA, CIANJUR

Oleh

EKA UTAMI APRILIA F14103114

2007

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

(2)

Eka Utami Aprilia. F14103114. Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari dan Pengembagan Model Pindah Panas Pada Greenhouse Tipe Tunnel Yang Dimodifikasi Di PT Alam Indah Bunga Nusantara, Cianjur. Dibawah bimbingan Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr dan Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. 2007.

RINGKASAN

Bangunan greenhouse yang berbentuk tunnel dapat menangkap radiasi matahari yang besar sehingga temperatur pada siang hari sangat tinggi. Untuk itu, diperlukan exhaust fan yang besar untuk menurunkan temperatur udara di dalamnya. Penggunaan exhaust fan ini menghabiskan banyak energi dan biaya. Oleh karena itu, bentuk tunnel tersebut dimodifikasi dengan penambahan ventilasi yang ditambahkan diatas greenhouse. Modifikasi ini tidak mengubah bentuk dan dimensi awal greenhouse. Untuk itu, perlu diadakan suatu penelitian mengenai pengaruh perubahan tersebut terhadap lingkungan mikro di dalam greenhouse.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh radiasi matahari dan pindah panas terhadap lingkungan mikro di dalam greenhouse tipe tunnel yang dimodifikasi. Kemudian dilakukan pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse dengan menggunakan model pindah panas dan Artificial Neural Network (ANN).

Penelitian dilakukan dengan menggunakan greenhouse tipe tunnel yang telah dimodifikasi di PT Alam Indah Bunga Nusantara, Cipanas. Pengambilan data dilakukan pada bulan Mei-Juni 2007. Peralatan yang digunakan adalah greenhouse tipe tunnel yang telah dimodifikasi, weather station RM YOUNG model 26700, translator dan komputer, termokopel dan hybrid recorder tipe HR 2300 serta oil bath dan termometer standard.

Parameter yang diukur adalah kondisi lingkungan di luar greenhouse yaitu temperatur, kelembaban, tekanan udara, kecepatan dan arah angin serta radiasi matahari. Pengukuran parameter pada greenhouse dilakukan meliputi temperatur atap greenhouse, ventilasi, udara di dalam greenhouse, permukaan tanah serta lapisan tanah pada kedalaman 0.165 m dan 0.315 m. Pengambilan data dilakukan dari pukul 06.00 sampai pukul 18.00 dan dicatat setiap 10 menit.

Program komputer dibuat menggunakan excel macro. Persamaan pindah panas diselesaikan dengan metode finite difference euler dengan skema implisit sehingga menjadi sistem linier. Kemudian sistem linier diselesaikan dengan metode Gauss. Program komputer untuk pendugaan temperatur dengan ANN digunakan program yang telah dikembangkan oleh Rudiyanto (2004). Untuk model arsitektur ANN digunakan model yang telah dikembangkan oleh Nuryawati (2006). Model ini menggunakan 6 noda sebagai input layer yang terdiri dari kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi matahari, temperatur atap greenhouse, temperatur permukaan tanah dan temperatur tanah

(3)

pada kedalaman 0.315 m, sedangkan yang menjadi output adalah temperatur di dalam greenhouse.

Dari hasil simulasi pindah panas dibuat grafik yang menunjukkan hubungan linier antara temperatur udara hasil simulasi dengan temperatur udara hasil pengukuran. Dapat diketahui bahwa persamaan regresi dari grafik tersebut adalah yaitu y = 0.9064x + 3.2891. Nilai R2 adalah 0.6411. Simulasi ternyata cukup akurat karena walaupun nilai intersepnya tidak cukup mendekati nol, dan gradien yang dihasilkan mendekati satu.

Pendugaan dilakukan dengan menggunakan arsitektur yang dikembangkan oleh Nuryawati (2006) dengan memasukkan enam data input. Pada pendugaan temperatur udara dengan Artificial Neural Network digunakan tiga model variasi data training dan validasi. Model pertama menggunakan data training 55% dan data validasi 45%. Model kedua menggunaka data training dan data validasi yang digunakan masing-masing sebesar 67% dan 33%, sedangkan model ketiga menggunakan data training sebanyak 75% dan data validasi 25%. Dari ketiga model didapatkan bahwa model kedua adalah model yang paling baik untuk pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse karena nilai Standard Error of Prediction (SEP) 0.785, nilai bias -0.150 dan nilai Coefficient of Variation (CV) 2.697. Pada validasi, model dikatakan cukup akurat bila nilai SEP dan CV semakin kecil dan nilai bias mendekati nol. Selanjutnya, hubungan linier antara temperatur udara hasil pengukuran di dalam greenhouse dengan temperatur udara hasil simulasi disajikan dalam grafik dinyatakan dengan persamaan regresi y = 0.9292x + 2.2096 dengan koefisien korelasi 0.9576. Dari persamaan ini, dapat diketahui pula keakuratan hasil simulasi karena intersepnya mendekati nol dan gradien mendekati satu.

(4)

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI DAN PENGEMBANGAN MODEL PINDAH PANAS PADA GREENHOUSE

TIPE TUNNEL YANG DIMODIFIKASI

DI PT ALAM INDAH BUNGA NUSANTARA, CIANJUR

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh

EKA UTAMI APRILIA F14103114

2007

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

(5)

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh

EKA UTAMI APRILIA F14103114

Dilahirkan di Bekasi Pada tanggal : 6 April 1985 Tanggal Lulus :

Menyetujui, Bogor, Agustus 2007

Dr.Ir.Herry Suhardiyanto, M.Sc. Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr

Dosen Pembimbing II Dosen Pembimbing I

Ketua departemen Teknik Pertanian

Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS. Ketua Departemen Teknik Pertanian

(6)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT karena hanya dengan lindungan, rahmat dan krunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Skripsi ini berjudul ”Analisis Sudut Datang Radiasi matahari dan pengembangan model Pindah Panas pada Greenhouse Tipe Tunnel yang dimodifikasi di PT Alam Indah Bunga Nusantara, Cianjur”. Skripsi ini berisi tentang analisis radiasi matahari dan pengembangan model pindah panas pada greenhouse tipe tunnel yang telah dimodifikasi. Kemudian dilakukan pendugaan temperatur di dalam greenhouse dengan menggunakan simulasi pindah panas dan Artificial Neural Network.

Penulisan skripsi ini tidak akan selesai tanpa bantuan orang-orang yang berharga yang berada di sekitar penulis. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Yudi Chadirin S.TP, M.Agr selaku dosen pembimbing pertama penulis.

2. Bapak Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, MSc selaku dosen pembimbing kedua penulis.

3. Bapak Dr. Ir. Leopold O. Nelwan M.Si atas kesediannya sebagai penguji.

4. Bapak Tatan Sutarna atas bantuannya selama melakukan

pengambilan data.

5. Bapak Uday dan segenap karyawan PT Alam Indah Bunga Nusantara yang telah memberikan bantuan selama melakukan pengambilan data. 6. Bapak Ir. Bambang Sumantri dan Rudiyanto, S.TP atas segala

bantuannya selama penulis menyelesaikan skripsi ini.

7. Bapak, Ibu, adik-adik serta semua keluarga di rumah yang telah memberikan kasih sayang dukungan dan doanya kepada penulis 8. Iwa Kusuma Suryadi yang telah memberikan dukungan, bantuan dan

(7)

ii 9. Pak Ahmad, Mas Firman atas bantuannya selama pelaksanaan

penelitian.

10.Ibu Dede dan keluarga atas bantuan dan doanya selama penulis melakukan pengambilan data.

11.Anne, Riyan, Fuad, Uki, Mbak Eni, Budi atas bantuannya selama penulis melakukan pengambilan data di Cipanas.

12.Indra, Dewi, Hanida, Hani, Gytha, Sita, Salman, Nunus, Gia, Arif, Dela, Irawan, Elly, Veve, Amna, Daru, Sofyan, Indra Fauzi, Gumilang, Murni, Pak Bayu, Puspita kost, AE 40 dan semua pihak yang telah membantu terselesaikannya skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan pada skripsi ini, namun penulis berharap skripsi ini dapat berguna bagi yang membutuhkan.

Bogor, Agustus 2007 Penulis

(8)

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR...…………... i

DAFTAR ISI…………... iii

DAFTAR GAMBAR…………... v

DAFTAR TABEL…………... vii

DAFTAR LAMPIRAN…………... viii

DAFTAR SIMBOL…………... vi

I. PENDAHULUAN... 1

I.1 Latar Belakang... 1

I.2 Tujuan... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA... 3

II.1 Greenhouse... 3

II.2 Temperatur... 3

II.3 Radiasi Matahari... 4

II.4 Pindah Panas... 5

II.5 Simulasi... 6

II.6 Artificial Neural Network (ANN)... 6

III. PENDEKATAN TEORITIS…………... 10

III.1 Sudut Datang Radiasi Matahari…………... 10

III.2 Model Pindah Panas Dalam Greenhouse…………... 12

IV. BAHAN DAN METODE... 17

IV.1 Alat dan Bahan ... 17

IV.2 Tempat dan Waktu Penelitian …………... 18

IV.3 Metode Penelitian... 18

V. PEMBAHASAN... 26

V.1 Pengaruh Sudut Datang Radiasi Matahari Terhadap Temperatur dalam Greenhouse……….. 26

V.2 Pengaruh Pindah Panas Terhadap Temperatur dalam Greenhouse……… 29

V.3 Validasi Simulasi Pindah Panas dalam Greenhouse………… 33

(9)

V.5 Validasi ArtificialNeuralNetwork (ANN) …………... 36

VI. KESIMPULAN DAN SARAN…………... 39

VI.1 Kesimpulan …………... 39

VI.2 Saran …………... 40

DAFTAR PUSTAKA…………... 41

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Perpindahan panas yang terjadi pada greenhouse…………... 5 Gambar 2. Penutup tunnel greenhouse dibagi menjadi delapan permukaan miring yang sama besar...………… 11 Gambar 3. Skema titik pengukuran pada greenhouse tampak depan..…... 21 Gambar 4. Skema titik pengukuran pada greenhouse tampak samping... 22 Gambar 5. Diagram alir ANN backpropagation untuk memprediksi

temperatur di dalam greenhouse………... 23 Gambar 6. Diagram alir program perhitungan kosinus sudut datang

radiasi matahari………...… 24 Gambar 7. Diagram alir program simulasi pindah panas………...… 25

Gambar 8. Perubahan radiasi matahari harian selama pengukuran……… 27 Gambar 9. Radiasi Total Harian Selama Pengukuran...… 27 Gambar 10. Grafik kosinus sudut datang radiasi matahari………...… 28 Gambar 11. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 26 Mei 2007 dengan cuaca cerah… 31 Gambar 12. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 27 Mei 2007 dengan cuaca berawan

dan hujan………...… 31 Gambar 13. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 28 Mei 2007 dengan cuaca cerah… 32 Gambar 14. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 29 Mei 2007 dengan cuaca berawan

dan hujan………...… 32 Gambar 15. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 30 Mei 2007 dengan cuaca cerah… 33 Gambar 16. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 1 Juni 2007 dengan cuaca berawan

dan hujan………...… 33 Gambar 17. Hubungan linear antara temperatur hasil simulasi dengan

(11)

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI DAN PENGEMBANGAN MODEL PINDAH PANAS PADA GREENHOUSE

TIPE TUNNEL YANG DIMODIFIKASI

DI PT ALAM INDAH BUNGA NUSANTARA, CIANJUR

Oleh

EKA UTAMI APRILIA F14103114

2007

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

(12)

RINGKASAN

(13)

pada kedalaman 0.315 m, sedangkan yang menjadi output adalah temperatur di dalam greenhouse.

(14)

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI DAN PENGEMBANGAN MODEL PINDAH PANAS PADA GREENHOUSE

TIPE TUNNEL YANG DIMODIFIKASI

DI PT ALAM INDAH BUNGA NUSANTARA, CIANJUR

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh

EKA UTAMI APRILIA F14103114

2007

DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

(15)

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh

EKA UTAMI APRILIA F14103114

Dilahirkan di Bekasi Pada tanggal : 6 April 1985 Tanggal Lulus :

Menyetujui, Bogor, Agustus 2007

Dr.Ir.Herry Suhardiyanto, M.Sc. Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr

Dosen Pembimbing II Dosen Pembimbing I

Ketua departemen Teknik Pertanian

Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS. Ketua Departemen Teknik Pertanian

(16)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT karena hanya dengan lindungan, rahmat dan krunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Penulisan skripsi ini tidak akan selesai tanpa bantuan orang-orang yang berharga yang berada di sekitar penulis. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Yudi Chadirin S.TP, M.Agr selaku dosen pembimbing pertama penulis.

2. Bapak Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, MSc selaku dosen pembimbing kedua penulis.

3. Bapak Dr. Ir. Leopold O. Nelwan M.Si atas kesediannya sebagai penguji.

4. Bapak Tatan Sutarna atas bantuannya selama melakukan

pengambilan data.

5. Bapak Uday dan segenap karyawan PT Alam Indah Bunga Nusantara yang telah memberikan bantuan selama melakukan pengambilan data. 6. Bapak Ir. Bambang Sumantri dan Rudiyanto, S.TP atas segala

bantuannya selama penulis menyelesaikan skripsi ini.

7. Bapak, Ibu, adik-adik serta semua keluarga di rumah yang telah memberikan kasih sayang dukungan dan doanya kepada penulis 8. Iwa Kusuma Suryadi yang telah memberikan dukungan, bantuan dan

(17)

ii 9. Pak Ahmad, Mas Firman atas bantuannya selama pelaksanaan

penelitian.

10.Ibu Dede dan keluarga atas bantuan dan doanya selama penulis melakukan pengambilan data.

11.Anne, Riyan, Fuad, Uki, Mbak Eni, Budi atas bantuannya selama penulis melakukan pengambilan data di Cipanas.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan pada skripsi ini, namun penulis berharap skripsi ini dapat berguna bagi yang membutuhkan.

Bogor, Agustus 2007 Penulis

(18)

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR...…………... i

DAFTAR ISI…………... iii

DAFTAR GAMBAR…………... v

DAFTAR TABEL…………... vii

DAFTAR LAMPIRAN…………... viii

DAFTAR SIMBOL…………... vi

I. PENDAHULUAN... 1

I.1 Latar Belakang... 1

I.2 Tujuan... 2

II. TINJAUAN PUSTAKA... 3

II.1 Greenhouse... 3

II.2 Temperatur... 3

II.3 Radiasi Matahari... 4

II.4 Pindah Panas... 5

II.5 Simulasi... 6

II.6 Artificial Neural Network (ANN)... 6

III. PENDEKATAN TEORITIS…………... 10

III.1 Sudut Datang Radiasi Matahari…………... 10

III.2 Model Pindah Panas Dalam Greenhouse…………... 12

IV. BAHAN DAN METODE... 17

IV.1 Alat dan Bahan ... 17

IV.2 Tempat dan Waktu Penelitian …………... 18

IV.3 Metode Penelitian... 18

V. PEMBAHASAN... 26

V.1 Pengaruh Sudut Datang Radiasi Matahari Terhadap Temperatur dalam Greenhouse……….. 26

V.2 Pengaruh Pindah Panas Terhadap Temperatur dalam Greenhouse……… 29

V.3 Validasi Simulasi Pindah Panas dalam Greenhouse………… 33

(19)

V.5 Validasi ArtificialNeuralNetwork (ANN) …………... 36

VI. KESIMPULAN DAN SARAN…………... 39

VI.1 Kesimpulan …………... 39

VI.2 Saran …………... 40

DAFTAR PUSTAKA…………... 41

(20)

DAFTAR GAMBAR

temperatur di dalam greenhouse………... 23 Gambar 6. Diagram alir program perhitungan kosinus sudut datang

radiasi matahari………...… 24 Gambar 7. Diagram alir program simulasi pindah panas………...… 25

hasil pengukuran tanggal 26 Mei 2007 dengan cuaca cerah… 31 Gambar 12. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 27 Mei 2007 dengan cuaca berawan

dan hujan………...… 31 Gambar 13. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 28 Mei 2007 dengan cuaca cerah… 32 Gambar 14. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 29 Mei 2007 dengan cuaca berawan

dan hujan………...… 32 Gambar 15. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 30 Mei 2007 dengan cuaca cerah… 33 Gambar 16. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan

hasil pengukuran tanggal 1 Juni 2007 dengan cuaca berawan

dan hujan………...… 33 Gambar 17. Hubungan linear antara temperatur hasil simulasi dengan

(21)

vi Gambar 18. Hubungan linear antara temperatur hasil pendugaan ANN

dengan hasil pengukuran dengan enam data input... 37 Gambar 19. Hubungan linear antara temperatur hasil pendugaan ANN

(22)

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Nilai konstanta yang digunakan dalam simulasi pendugaan

temperatur di dalam greenhouse…………...30 Tabel 2. Hasil validasi ANN…………... 36

(23)

viii DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Greenhouse yang digunakan dan posisi weather station

dalam penelitian………... 43 Lampiran 2. Data pengukuran iklim makro... 44

Lampiran 3. Data kosinus sudut datang radiasi matahari ……... 47 Lampiran 4. Data Hasil Simulasi…...…...50 Lampiran 5. Data Hasil Simulasi ANN……... 62 Lampiran 6. Program untuk menghitung kosinus sudut datang radiasi

matahari tanggal 26 Mei……... 74 Lampiran 7. Program untuk pendugaan temperatur di dalam greenhouse... 76 Lampiran 8. Gambar teknik greenhouse tiga dimensi... 82 Lampiran 9. Gambar teknik greenhouse tampak depan... 83 Lampiran 10. Gambar teknik greenhouse tampak samping... 84 Lampiran 11. Gambar teknik greenhouse tampak atas... 85

(24)

DAFTAR SIMBOL

Aa Luas permukan atap, m2

Apt Luasan pintu greenhouse, m2

Av Luas ventilasi, m2

Cpa Panas spesifik atap pada tekanan yang sama, J/Kg K

Cpud Panas spesifik udara pada tekanan yang sama, J/kg K

Cpt Panas spesifik tanah pada tekanan yang sama, J/kg K

EQT Equation of Time menurut Caruthers

hw Koefisien pindah panas konveksi pada penutup greenhouse bagian

luar karena pengaruh angin,W/m2ºC

hi Koefisien pindah panas konveksi dari atap bagian dalam ke udara

dalam, W/m2ºC

I Radiasi global matahari pada bidang horizontal, W/m2 K Kosinus sudut datang radiasi matahari

kt Konduktivitas panas tanah, W/mK

ku Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk atap menghadap utara

ks Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk atap menghadap

selatan

L Latitude atau garis lintang, LS

LGT Longitude atau garis bujur, BT

ma Massa atap, kg

mud Massa udara di dalam greenhouse, kg

mpt Massa permukaan tanah, kg

mt Massa tanah, kg

Qst Panas sensibel yang diserap tanaman dalam rumah kaca

Ta Suhu atap rumah kaca,ºC

Tin Suhu udara dalam rumah kaca, ºC

Tl Suhu udara di luar rumah kaca,ºC

Tpt Suhu permukaan tanah, ºC

Tt Suhu tanah pada kedalaman 0.165 m, ºC

(25)

x Tsky Angka pendekatan suhu langit, K

Xt Ketebalan lapisan tanah pada kedalaman 0.165 m

Xtd Ketebalan lapisan tanah pada kedalaman 0.165 m

v Kecepatan angin di luar greenhouse, m/s

v1 Kecepatan angin di luar greenhouse yang telah dikonversi ke arah

barat (inlet timur), m/s

v2 Kecepatan angin di luar greenhouse yang telah dikonversi ke arah

utara (inlet selatan), m/s

α Altitude atau ketinggian matahari, º

αa Absorptivitas bahan penutup rumah kaca terhadap gelombang

pendek

αt Absorptivitas tanah terhadap gelombang pendek

β Sudut kemiringan permukaan terhadap horizotal

εa Emisivitas penutup greenhouse

εt Emisivitas tanah.

ρud Densitas udara, kg/m3

Transmisivitas bahan penutup rumah kaca

Konstanta Stefan-Boltzman, W/m2K-4

δ Sudut deklinasi matahari, °

(26)

I. PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Salah satu penerapan keteknikan pertanian adalah dengan menciptakan lingkungan mikro yang sesuai bagi tanaman menggunakan bangunan greenhouse. Untuk menciptakan kondisi lingkungan yang optimum di dalam greenhouse, dapat dilakukan dengan cara optimalisasi perancangan struktur bangunan greenhouse ataupun penambahan peralatan penunjang di dalam greenhouse.

Dalam optimalisasi perancangan bangunan greenhouse harus disesuaikan dengan keadaan lingkungan sekitar di tempat dimana greenhouse akan dibangun. Bangunan dirancang sedemikian rupa sehingga mendapatkan cahaya matahari yang cukup dengan penyesuaian tinggi bangunan dan kemiringan atap. Radiasi matahari yang masuk ke dalam greenhouse mempengaruhi suhu di dalamnya yang kemudian berpengaruh pada proses fotosintesis tanaman.

Di Indonesia yang beriklim tropis, banyak bangunan greenhouse yang dirancang dengan mengadopsi langsung rancangan di daerah subtropika. Sehingga suhu di dalam greenhouse pada siang hari sering kali sangat tinggi. Untuk mengatasi masalah ini, dapat dilakukan dengan penambahan exhaust fan yang tentu saja akan menambah biaya operasional greenhouse.

Di PT Alam Indah Bunga Nusantara sendiri terdapat bangunan greenhouse yang berbentuk kubah setengah lingkaran yang disebut tunnel. Bentuk seperti ini dapat menangkap radiasi matahari yang besar sehingga suhu pada siang hari sangat tinggi. Untuk itu diperlukan exhaust fan yang besar umtuk menurunkan suhu di dalamnya. Penggunaan exhaust fan ini menghabiskan banyak energi dan biaya. Bentuk greenhouse tunnel dimodifikasi dengan penambahan ventilasi yang ditambahkan diatas greenhouse. Modifikasi ini tidak merubah bentuk dan dimensi awal greenhouse. Untuk mengetahui seberapa besar pengaruh modifikasi greenhouse ini, maka perlu diadakan suatu penelitian mengenai pengaruh perubahan tersebut terhadap lingkungan mikro di dalam greenhouse.

(27)

2 I.2 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk:

1. Mengetahui pengaruh radiasi matahari terhadap lingkungan mikro di dalam greenhouse tipe tunnel yang dimodifikasi.

2. Mengetahui pindah panas yang terjadi pada bangunan greenhouse tipe tunnel yang dimodifikasi dan besarnya pengaruh radiasi matahari pada perpindahan panas.

3. Pendugaan temperatur di dalam greenhouse dengan menggunakan model simulasi pindah panas dan Artificial Neural Network untuk memprediksi temperatur dalam greenhouse

4. Melakukan validasi model simulasi pindah panas dan Artificial Neural Network.

(28)

II. TINJAUAN PUSTAKA II.1 Greenhouse

Greenhouse didefinisikan sebagai bangunan tertutup yang transparan untuk menumbuhkan atau melindungi tanaman atau istilah lain didefinisikan sebagai sebuah bangunan yang dapat menyediakan kondisi optimal untuk menumbuhkan tanaman secara memuaskan sepanjang tahun (Falah, 2006).

Menurut Nelson (2003) greenhouse adalah suatu bangunan yang ditutupi dengan material transparan dengan sebagai batas masuknya cahaya untuk pertumbuhan tanaman.

Greenhouse juga dapat diartikan sebagai bangunan yang menerima sedikit panas atau tanpa panas buatan. Di daerah subtropis greenhouse dibangun terutama untuk tujuan memerangkap panas terutama pada musim dingin agar tetap dapat melakukan kegiatan pertanian. Di daerah tropis, greenhouse dibangun dengan tujuan untuk melindungi tanaman dari pengaruh buruk cuaca dan penyakit yang dapat menyerang tanaman.

Fungsi greenhouse di daerah tropis salah satunya adalah untuk mengurangi intensitas cahaya matahari yang berlebihan. Tapi, greenhouse juga harus meneruskan cahaya matahari yang cukup yang dibutuhkan tanaman. Sebab radiasi matahari yang diteruskan ke dalam greenhouse dapat mempengaruhi keadaan lingkungan di dalam greenhouse dan untuk selanjutnya mempengaruhi proses fotosintesis tanaman.

II.2 Temperatur

Temperatur berarti panas atau dingin dari suatu objek. Dapat diartikan sebagai hubungan ”intensitas” panas antara dua objek atau lebih. Satu meter kubik udara pada suhu yang sama setara dengan satu meter kubik air yang tidak mengandung panas yang sama. Udara memiliki kapasitas perpindahan panas yang lebih rendah daripada objek pada suhu yang lebih rendah pula. Suhu dapat diartikan sebagai kemampuan memindahkan panas dari suatu tempat yang lebih dingin. (Nelson, 2003)

Menurut Walker (1965), faktor yang mempengaruhi besarnya temperatur dalam greenhouse, adalah tingkat intensitas radiasi matahari,

(29)

4 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. Sedangkan menurut Mastalerz (1977), sebagian besar kenaikan temperatur yang terjadi adalah akibat dari penutupan ruang dalam greenhouse sehingga pindah panas dari pergerakan udara turbulen dikurangi.

Panas terbentuk di dalam greenhouse dengan mengabaikan material penutup greenhouse. Pada siang hari, suhu meningkat baik pada greenhouse berpenutup kaca maupun plastik meskipun polietilen transparan terhadap radiasi gelombang panjang sedangkan kaca tidak. Jika penutup greenhouse menutup ruang dan menghambat pergerakan udara, akan tetapi membiarkan cahaya untuk masuk, peningkatan suhu tidak bisa dihindari lagi. (Mastalerz, 1977)

II.3 Radiasi Matahari

Untuk menghitung komponen langsung dari pemasukan radiasi surya pada sebuah permukaan miring dari data radiasi pada sebuah permukaan horizontal, posisi matahari pada tiap saat harus diketahui. Posisi matahari diperlukan untuk menentukan radiasi surya yang diteruskan malalui kaca dan bahan transparan lain, yang pemancarnya berubah-ubah sesuai dengan sudut masuknya. (Jansen, 1995)

Radiasi matahari mempunyai ciri khas yaitu sifat keberadaannya yang selalu berubah-ubah tergantung pada keadaan atmosfer dan geometri radiasi matahari. Geometri radiasi matahari berhubungan dengan deklinasi matahari (δ), sudut jam matahari (ω), sudut zenith matahari (θz), dan altitude atau

ketinggian matahari (α). (Romdhonah, 2002)

Menurut Tiwari and Goyal (1988), deklinasi matahari (δ) adalah sudut antara matahari pada posisinya yang tertinggi dan ekuator; sudut jam matahari (ω) adalah posisi angular matahari di timur atau di barat pada meridian setempat, berdasarkan rotasi bumi pada 15° per jam. Sudut jam

(30)

bernilai nol pada tengah hari, negatif pada pagi hari dan positif pada sore hari; udut zenith matahari (θz) adalah sudut antara garis vertikal yang tegak

lurus dengan permukaan bumi dengan garis yang mengarah pada matahari; altitude atau ketinggian matahari (α) adalah sudut garis horizontal pada permukaan bumi dengan garis yang mengarah pada matahari.

II.4 Pindah Panas

Menurut Tiwari and Goyal (1988), panas dapat berpindah dengan empat cara yaitu: dengan radiasi termal, konduksi, konveksi atau evaporasi. Keempat cara perpindahan panas tersebut dapat terjadi pada semua bagian greenhouse.

Bangunan akan mendapat perolehan panas dan mengeluarkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Perolehan dan pengeluaran panas dapat terjadi melalui peristiwa perpindahan panas. (Soegijanto,1999)

Gambar 1. Perpindahan panas yang terjadi pada greenhouse ventilasi

konduksi tanah

radiasi gel.panjang

Permukaan lantai Udara dalam konveksi

Radiasi matahari

(31)

6 Perpindahan panas konduksi terjadi melalui dinding dan atap bangunan dengan arah masuk dan keluar bangunan. Termasuk juga konduksi panas dari dan masuk ke dalam tanah. Perpindahan panas konveksi terjadi karena aliran udara yang masuk dan keluar melalui bukaan ventilasi. Perpindahan panas radiasi gelombang pendek dari radiasi matahari yang tediri dari radiasi matahari langsung dan refleksinya serta radiasi matahari difusi yang selalu bernilai positif. Perpindahan panas radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan bangunan maupun yang diterimanya dari lingkungan sekitar bangunan. Panas yang ditimbulkan oleh sumber-sumber panas di dalam ruangan seperti penghuni dan peralatan juga diperhitungkan. Perpindahan panas karena proses penguapan dari air yang membasahi permukaan dinding luar dan atap bangunan (Soegijanto, 1999)

II.5 Simulasi

Takakura (1971) dalam Romdhonah (2002) mengembangkan simulasi komputer untuk memprediksi temperatur greenhouse. Model yang dikembangkan menggunakan prinsip pindah panas yang dibagi menjadi empat layers yaitu lapisan penutup, udara dalam, kanopi tanaman, dan lapisan tanah menggunakan 25 persamaan diferensial yang rumit. Model ini melibatkan sudut datang radiasi matahari pada kesetimbangan panas di penutup greenhouse.

Pada optimalisasi struktur greenhouse disarankan untuk membuat model temperatur yang dinamis untuk mensimulasikan suhu lingkungan di dalam greenhouse. Struktur greenhouse yang optimal adalah yang memiliki suhu lingkungan yang paling optimal pula.

II.6 Artificial Neural Network (ANN)

Artificial Neural Network merupakan sebuah sistem pemroses informasi yang mempunyai karakteristik dasar mneyerupai jaringan syaraf biologis (Rudiyanto, 2004). Menurut pengertian wikipedia Artificial Neural Network atau yang biasa disebut dengan hanya neural network, merupakan sekelompok syaraf tiruan yang terkoneksi yang menggunakan model

(32)

matematika atau model komputansi untuk memproses informasi berdasarkan keterhubungan untuk perhitungan. Pada banyak kasus, Artificial Neural Network merupakan sistem yang adaptif yang dapat mengubah struktur dasar pada informasi eksternal maupun internal yang mengalir pada suatu jaringan.

Menurut Rudiyanto (2004), berdasarkan arsitektur keterhubungan antar neuron, Artificial Neural Network dapat dibedakan mengjadi dua, yaitu : singlelayer feedforward dan multilayerfeedforward. Singlelayer feedforward hanya mempunyai sebuah inputlayer dan sebuah output layer dimana input layer tidak diperhitungkan dalam menentukan jumlah layer dalam arsitektur ANN karena didalamnya tidak terjadi proses komputansi. Multilayer feedforward lebih mampu menyelesaikan persoalan dengan tingkat kesulitan yang lebih tinggi. Multilayer neural network mempunyai satu atau lebih layer neuron diantara inputlayer dan outputlayer. Layer ini disebut hidden layer.

Algorithma pembelajaran ANN backpropagation dijelaskan sebagai berikut :

1. Inisialisasi pembobot

Pembobot awal pada ANN diberi nilai secara acak. Nilai acak ini biasanya berkisar -1 – 1 atau 0 – 1.

2. Perhitungan nilai aktivasi

Perhitungan feedforward dimulai dengan menjumlahkan hasil perkalian input xi dengan pembobot vji. Dan menghasilkan Hj yang

merupakan nilai input ke fungsi aktivasi hidden layer. Kemudian output yj pada hidden layer unit j merupakan hasil fungsi aktivasi f

dengan masukan Hj. Hal ini telah diformulasikan dalam persamaan

berikut. i ji i

j v x

H =

∑

... ....(1)

( )

j j f H

y = ...(2) Nilai output hidden layer kemudian dikalikan dengan pembobot wkj

dan menghasilkan nilai Ik yang merupakan nilai input fungsi aktivasi

(33)

8 menggunakan fungsi aktivasi f dengan masukan Ik. Hal ini telah

diformulasikan pada persamaan berikut:

∑

j j kj

k w y

I ... (3)

( )

k k f I

z = ... (4) Secara ringkas dapat ditulis dengan persamaan berikut:

( )

_⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = =

∑

j i i ji kj j j kj j j kj k

k f I f w y f w f H f w f v x

z (5)

Dengan fungsi aktivasi berupa fungsi sigmoid sebagai berikut:

( )

e x

f ₋_β

+ =

1 1

... (6) Dimana β adalah gain atau slope fungsi sigmoid (konstanta).

3. Pelatihan (pengkoreksian) nilai pembobot

Pelatihan nilai pembobot pada ANN dilakukan dengan mengurangi atau menurunkan total error sistem untuk semua data melalui koreksi pembobot.

(

)

∑

= − = m k p k p k z t E 1 2 2 1 ... (7) Dengan demikian koreksi pembobot adalah turuna parsial E terhadap pembobot vj dan wkj sehingga aturan rantai sangat diperlukan untuk

proses koreksi pembobot.

Koreksi pembobot untuk pembobot antara output layer dengan hidden layer adalah:

i k

kj y

w =ηδ

Δ ... (8) Dan koreksi pembobot untuk pembobot antara input layer dengan hidden layer adalah:

i j

ji x

v =ηδ

Δ ... (9) Proses perhitungan pembobot antara output layer dan hidden layer dilakukan dengan persamaan:

( )

+1 Δ

=w w t

wbaru_kj lama_kj _kj ... (10) dan pembobot antara input layer dan hidden layer dilakukan dengan persamaan:

(34)

( )

+1 Δ

+ =v v t

v_kjbaru _kjlama _kj ... (11) 4. Pengulangan (Iterasi)

Keseluruhan proses ini dilakukan pada setiap contoh dan setiap iterasi. Proses pemberian contoh atau pasangan input-output, perhitungan nilai aktifasi dan pembelajaran dengan mengkoreksi pembobot dilakukan terus-menerus sampai didapatkan nilai pembobot dengan nilai total error system mencapai minimum global.

(35)

10 III. PENDEKATAN TEORITIS

III.1 Sudut Datang Radiasi Matahari

Analisis radiasi matahari yang jatuh ke permukaan penutup greenhouse dihitung dengan menggunakan rumus-rumus geometri matahari. Setelah perhitungan sudut datang radiasi matahari, akan didapatkan nilai kosinus sudutnya. Nilai ini akan digambarkan pada grafik hubungan waktu dan kosinus sudut radiasi matahari.

Sudut datang radiasi matahari pada permukaan penutup greenhouse tergantung pada orientasi atap tersebut dan posisi matahari. Posisi matahari di suatu tempat pada latitude dapat diketahui dengan persamaan :

sin α = cos L cos δ cos ω + sin L sin δ... (12) Menurut Jansen (1995), deklinasi matahari (δ) dihitung dengan rumus:

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ + = 365 284 360 sin 45 .

23 x n

δ ... (13) dimana n adalah hari (Julian day) dari tahun yang bersangkutan.

Sudut jam matahari untuk wilayah Indonesia bagian barat dengan lokasi pada longitude LGT adalah :

(

)

15 105

12 LGT EQT x

WIB h _⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ₊ + −

= ... (14)

Menurut Caruthers pada Nuryawati (2006), EQT merupakan persamaan waktu yang besarnya :

EQT = 5.0323 – 100.976 sin (t) + 595.275 sin (2t) + 3.6858 (3t) – 12.47 sin (4t) – 430.847 cos(t) + 12.5024 cos (2t) + 18.25

cos(3t)... (15) Dimana t = (279.134 + 0.985647)

Untuk perhitungan kosinus sudut datang radiasi matahari digunakan persamaan Esmay et al yang telah dikembangkan oleh Romdhonah. Untuk atap yang menghadap utara digunakan rumus :

ku1 = Cos(90 + βu1 - α)... (16) ku2 = Cos(90 + βu2 - α)... (17) ku3 = Cos(90 + βu3 - α) ... (18)

(36)

ku4 = Cos(90 + βu4 - α) ... (19) Sehingga kosinus sudut radiasi matahari untuk atap yang menghadap ke selatan :

ku = (ku1 + ku2 + ku3 + ku4) / 4... (20) untuk atap yang menghadap ke selatan digunakan rumus :

ks1 = Cos(90 – βs1 - α) ... (21) ks2 = Cos(90 – βs2 - α) ... (22) ks3 = Cos(90 – βs3 - α) ... (23) ks4 = Cos(90 – βs4 - α) ... (24) Sehingga kosinus sudut radiasi matahari untuk atap yang menghadap ke selatan :

ks = (ks1 + ks2 + ks3 + ks4) / 4... (25) Nilai βu1 dan βs1 yang digunakan adalah 11.25°, βu2 dan βs2 masing-masing 33.75°, βu3 dan βs3 masing-masing 56.25°, βu2 dan βs2 masing-masing 78.75°,

Persamaan 20 dan persamaan 25 digunakan untuk menghitung kosinus sudut radiasi pada penutup greenhouse. Sehingga K adalah :

K = (ku + ks) / 2

Gambar 2. Penutup tunnel greenhouse dibagi menjadi delapan permukaan miring yang sama besar.

(37)

12 III.2 Model Pindah Panas dalam Greenhouse

Perpindahan panas dihitung dengan mempertimbangkan titik-titik dimana pindah panas dapat terjadi. Dengan menghitung nilai pindah panas, maka akan diketahui seberapa besar pengaruh radiasi matahari pada lingkungan mikro di dalam greenhouse.

Menurut Bot (2001) dalam Nuryawati (2006), perpindahan panas dalam greenhouse terjadi di berbagai lapisan yaitu :

1. Antara 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 luar greenhouse (v) sangat berpengaruh dan dijadikan input setiap jam. Menurut Duffie, koefisien pindah panas konveksi karena pengaruh angin (hw) pada permukaan dapat dihitung

dengan :

(

)

h_w =5.7+ 3.8× ... (26) selain itu, pindah panas konveksi juga terjadi antara atap dengan udara di dalam greenhouse.

Menurut Cengel (2003), pindah panas akibat pengaruh radiasi dapat dihitung dengan rumus :

(

)

(

4 4

)

a sky a a

a A A T T

K I

Rad = × ×

α

× +

ε

σ

× × − ... (27) dimana I adalah radiasi matahari (W/m), K adalah kosinus sudut datang radiasi matahari, α adalah koefisien pindah panas pada atap bagian luar, adalah emisivitas bahan penutup atap, adalah konstanta stefan-boltzman. Nilai Rad akan memiliki satuan W/m2 sehingga harus dikalikan dengan luasan atap untuk mendapatkan nilai pindah panas untuk keseluruhan atap.

Menurut Swinbank dalam Tiwari (1988), hubungan Tsky dengan

udara lokal diekspresikan dengan persamaan : 5

. 1 0552 .

0 _l

sky T

(38)

2. Antara penutup greenhouse dengan udara dalam greenhouse

Pindah panas konveksi yang terjadi tidak hanya karena perbedaan temperatur antara penutup greenhouse dan udara dalam (konveksi bebas) tetapi juga akibat pergerakan udara dalam greenhouse karena ventilasi dan sirkulasi udara (konveksi paksa). Menurut Bot (2001) dalam Nuryawati (2006), dalam keadaan demikian konveksi paksa menjadi dominan.

Berikut rumus pindah panas konveksi dari atap

(

)

(

hi Aa Ta Tin

)

Q= × × − ... (29) Pada greenhouse tipe tunnel yang telah dimodifikasi, terdapat empat ventilasi. Pada atap terdapat ventilasi alami yang mengarah ke utara dan selatan. Ventilasi juga terdapat pada pintu. Karena pintu hanya ditutupi oleh paranet sehingga berfungsi pula sebagai ventilasi. Perhitungan pindah panas konveksi akibat pengaruh ventilasi pada temperatur udara di dalam greenhouse diasumsikan bahwa angin yang masuk ke dalam greenhouse tidak mendapat tahanan dari bahan ventilasi, sehingga untuk ventilasi atap, bagian kanan dan kiri dihitung dengan :

(

) (

)

(

ud v Av Tl Tin

)

Q = ρ × ₁× × − ... (30) sedangkan untuk ventilasi pada pintu, dihitung dengan

(

)

(

)

(

ud v Ap Cpud Tl Tin

)

Q = ρ × ₂× × × − ... (31) Kecepatan angin di luar greenhouse (v) dikonversi menjadi arah utara yang melewati ventilasi atap di bagian selatan greenhouse (v1)

dan dikonversi menjadi arah barat yang melewati ventilasi pintu di bagian utara greenhouse (v2). Hal ini dilakukan karena arah angin lebih

banyak berhembus ke arah timur laut.

Selain itu, untuk temperatur di dalam greenhouse, diperhitungkan juga perpindahan panas konveksi yang dipengaruhi oleh tanaman dan permukaan tanah. Perpindahan panas akibat pengaruh tanaman dihitung hanya dengan memasukkan nilai panas sensibel yang diserap tanaman (Qst).

(39)

14 Untuk konveksi dari tanah dihitung dengan :

(

)

(

hs As Tp Tin

)

Q= × × − ... (32)

3. Antara permukaan tanah dengan udara dalam greenhouse

Untuk bagian permukaan tanah, panas dipengaruhi oleh konveksi dari udara di dalam greenhouse, perpindahan panas konduksi dengan lapisan tanah di bawah permukaan serta radiasi matahari yang telah melewati cover.

Tanah mendapat radiasi matahari yang telah melewati cover. Perpindahan panas secara radiasi dapat dihitung dengan :

(

)

(

4 4

)

t in a t

t A A T T

Q= ×α × ×τ + ε ×σ× × − ... (33) Selain itu, terjadi pindah panas konveksi dari udara dalam yang dihitung dengan :

(

)

(

ht At Tin Tt

)

Q= × × − ... (34) Pindah panas konduksi dari lapisan tanah di bawah permukaan tanah dihitung dengan :

(

)

(

)

⎟⎟_⎠⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ×

= t pt

t t

t _T _T

X A k Q

2 ... (35)

4. Pertukaran permukaan lantai dengan lapisan tanah yang lebih dalam Pindah panas yang terjadi pada bagian lapisan tanah yang dihitung adalah pada lapisan dengan kedalaman 0.165 m. Pada lapisan ini, pindah panas yang terjadi secara konduksi baik ke permukaan tanah maupun pada tanah dengan kedalaman 0.315 m. Pada perhitungan ini, tanah dengan kedalaman 0.315 m tidak dianggap konstan. Sehingga perpindahan paas konduksi dari permukaan tanah adalah :

(

)

(

)

⎟⎟_⎠⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ×

= _pt _t

t t t T T X A k Q

(40)

Pindah panas pada lapisan tanah 0.315 m dihitung dengan

(

)(

)

⎟⎟_⎠⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ×

= _td _t

td t t T T X A k Q

2 ... (37) Sesuai dengan pindah panas yang terjadi antara keempat elemen dalam sistem dan menganggap bahwa semua elemen adalah homogen secara horizontal dan vertikal, maka persamaan kesetimbangan panas yang terjadi pada setiap elemen per satuan luas adalah sebagai berikut :

- Keseimbangan panas pada penutup greenhouse

(

)

(

)

(

)

(

w a l a

)

(

i a

(

in a

)

a sky a a a a a a a T T A h T T A h T T A A K I dt dT Cp m − × × + − × × + − × × × + × × × = ×

× α ε σ 4 4

... (38) dimana ma adalah massa atap (kg), Cpa adalah panas spesifik

atap pada tekanan yang sama (J/Kg K),Ta adalah suhu atap

rumah kaca (ºC), I adalah radiasi global matahari pada bidang horizontal (W/m2), K adalah kosinus sudut datang radiasi matahari, αa adalah absorptivitas bahan penutup rumah kaca

terhadap gelombang pendek, Aa adalah luas permukan atap (m2), a adalah emisivitas penutup greenhouse, adalah konstanta

Stefan-Boltzman (W/m2K-4), Tsky adalah angka pendekatan suhu

langit (K), hw adalah koefisien pindah panas konveksi pada

penutup greenhouse bagian luar karena pengaruh angin (W/m2ºC), hi adalah koefisien pindah panas konveksi dari atap

bagian dalam ke udara dalam (W/m2ºC), Tin adalah suhu udara

dalam rumah kaca (ºC), dan Tl adalah suhu udara di luar rumah

(41)

16 - Keseimbangan panas pada udara dalam

(

)

(

) (

(

)

(

)

(

)

(

s s p in

) (

(

ud p

)

(

l in

)

in l ud v ud in a a i in ud ud Q T T Cp A v T T A h T T Cp A v T T A h dt dT Cp m + − × × × × + − × × + − × × × × + − × × = 2 1 ρ ρ ... (39) dimana mud adalah massa udara di dalam greenhouse (kg), Cpud

adalah panas spesifik udara pada tekanan yang sama (J/kg K), hi

adalah koefisien pindah panas konveksi ventilasi ke udara dalam (W/m2ºC), v1 adalah kecepatan angin di luar greenhouse yang

telah dikonversi ke arah barat (inlet timur) (m/s), v2 adalah

kecepatan angin di luar greenhouse yang telah dikonversi ke arah utara (inlet selatan) (m/s), Av adalah luas ventilasi (m2), Tv1

adalah suhu permukaan ventiasi sebelah selatan (ºC), Tv2 adalah

suhu permukaan ventiasi sebelah utara (ºC), ρud adalah densitas

udara (kg/m3), v adalah kecepatan angin di luar greenhouse (m/s), Ap adalah luasan pintu greenhouse (m2), Qst panas

sensibel yang diserap tanaman dalam rumah kaca.

- Keseimbangan panas permukaan tanah

(

)

(

)

(

)

(

_{) ( )}

(

)

_⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − × + − × × + − × × × + × × × = pt t t t t t in t t t in a t t t t pt T T X A k T T A h T T A A I dt dT Cp m 2 4 4 σ ε τ α ... (40) dimana mpt adalah massa permukaan tanah (kg), Cpt adalah

panas spesifik tanah pada tekanan yang sama (J/kg K), αt adalah

absorptivitas tanah terhadap gelombang pendek, adalah transmisivitas bahan penutup rumah kaca, t adalah emisivitas

tanah, kt konduktivitas panas tanah (W/mK), Tpt adalah suhu

permukaan tanah (ºC), Tt adalah suhu tanah pada kedalaman

0.165 m (ºC), Xt adalah ketebalan lapisan tanah pada kedalaman

(42)

- Keseimbangan panas pada lapisan tanah

(

)

(

)

_⎠⎟⎟⎞+⎜⎜_⎝⎛

(

)(

−

)

⎟⎟_⎠⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

− ×

= _td _t

td t t t

pt t

t t t

t T T

X A k T

T X

A k dt dT Cp m

2 2

... (41) dimana mt adalah tanah pada kedalaman 0.165 m dari

permukaan (kg), dan Ttanah suhu tanah di bawah lapisan tanah

0.165 m (ºC), Ttd adalah suhu tanah di bawah lapisan tanah 0.315

m (ºC), Xtd adalah ketebalan lapisan tanah pada kedalaman 0.315

(43)

18 IV. BAHAN DAN METODE

IV.1 Alat dan Bahan

Alat-alat yang diperlukan adalah :

1. Greenhouse tipe tunnel yang telah dimodifikasi yang berorientasi utara-selatan

Greenhouse berfungsi sebagai pelindung tanaman yang berada di dalamnya. Tunnel greenhouse berukuran panjang 60.0 m, lebar 8.0 m, dan tinggi di tengah 4.0 m. Konstruksi greenhouse menggunakan pipa galvanis berukuran 2 inch. Atap greenhouse berbentuk setengah lingkaran. Di atas atap greenhouse ditambahkan ventilasi setinggi 0.75 m. Ventilasi ditutupi dengan screen mesh. Kemudian ditambahkan atap yang melengkung diatas ventilasi tersebut. Konstruksi atap tambahan menggunakan besi pipa pada bagian melengkung dan besi siku untuk bagian yang lurus. Penutup atap greenhouse menggunakan plastik transparan poliethylene (PE) dengan UV stabilizer setebal 0.0027 m. Di tengah-tengah greenhouse pada dinding kiri dan kanan terdapat exhaust fan. Bagian depan dan belakang greenhouse ditutupi dengan paranet hitam.

2. Meteran

Meteran digunakan untuk mengukur dimensi greenhouse. 3. Weather Station, Translator dan Komputer

Weather Stasion yang digunakan adalah RM YOUNG model 26700. Alat ini memiliki lima sensor yaitu psychrometer untuk mengukur temperatur san kelembaban udara (RH), wind monitor serial 20118 untuk mengukur kecepatan dan arah angin, pyranometer model 70090 untuk mengukur radiasi matahari sesaat dan typing bucket precip gauge no 52203 untuk mengukur curah hujan. Temperatur di set pada satuan °C, RH dalam persen, kecepatan angin dalam m/s2, arah angin dalam derajat, radiasi matahari dalam W/m2, dan curah hujan dalam mm/hari.

(44)

Weather station diletakkan di luar greenhouse untuk mengetahui iklim makro di sekitar greenhouse. Weather station dihubungkan translator merk Young untuk menampilkan data hasil pengukuran dan komputer untuk menyimpan data.

4. Termokopel dan Hybrid Recorder

Termokopel digunakan untuk mengukur temperatur penutup greenhouse, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan tanah dan temperatur tanah pada kedalaman 0.15 m dan 0.25 m. Termokopel dihubungkan dengan Hybrid Recorder untuk menampilkan temperatur yang terukur oleh termokopel.

5. Oil Bath dan Termometer Standard

Oil bath dan termometer standard digunakan untuk mengkalibrasi termokopel yang digunakan untuk mengukur temperatur pada greenhouse. Pengkalibrasian bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara temperatur yang terukur oleh termokopel dengan temperatur yang terukur oleh termometers standard.

IV.2 Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini akan dilaksanakan pada bulan Mei-Juni 2007, bertempat di PT Alam Indah Bunga Nusantara, Cipanas, Jawa Barat

IV.3 Metoda Penelitian

1. Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari pada Penutup Greenhouse Analisis sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse digunakan untuk mengetahui nilai radiasi matahari yang ditransmisikan langsung melalui penutup greenhouse. Perhitungan pada analisis radiasi matahari ini melibatkan kondisi lingkungan sekitar greenhouse, geometri bumi serta bentuk dan orientasi bangunan greenhouse.

2. Penentuan model Pindah Panas dalam greenhouse

Persamaan pindah panas digunakan untuk perhitungan kesetimbangan panas pada penutup greenhouse, dalam greenhouse,

(45)

20 permukaan tanah serta lapisan tanah yang disesuaikan dengan kondisi greenhouse. Model pindah panas greenhouse melibatkan nilai kosinus dudut radiasi matahari.

3. Pengukuran di Lapangan

Data yang diukur adalah kondisi iklim makro di luar greenhouse dengan menggunakan weather station. Kemudian temperatur di dalam greenhouse diukur dengan menggunakan termokopel dan hybrid reecorder. Pengukuran temperatur di dalam dan di luar greenhouse bertujuan untuk mengetahui perbedaan yang terjadi pada kondisi lingkungan di dalam dan di luar greenhouse. Waktu pengambilan data dipilih pada hari cerah. Data diambil pada pukul 06.00 WIB hingga pukul 18.00 WIB dan dicatat setiap 10 menit.

4. Pembuatan Program

Pembuatan program komputer untuk memprediksi temperatur dalam greenhouse dibuat dengan menggunakan Excel Macro. Metode numerik yang digunakan adalah metode finite difference yang akan menghasilkan sistem linier kemudian sistem linier diselesaikan dengan metode Gaus. Input program adalah karakteristik elemen-elemen greenhouse dan data cuaca di sekitar greenhouse yang di dapatkan dari hasil pengukuran. Proses perhitungan dimulai dengan perhitungan deklinasi matahari dan Equation of Time (EQT). Output program adalah sudut datang radiasi matahari, pendugaan temperatur penutup greenhouse, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan tanah dan temperatur tanah pada kedalaman z untuk tiap jam.

5. Validasi Program

Validasi program dilakukan dengan membandingkan temperatur hasil pengukuran dengan temperatur hasil simulasi. Pengujian keabsahan dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara temperatur hasil simulasi (Y) dan hasil pengukuran (X). Dimana a menyatakan intersep atau

(46)

perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi.

bX a Y= +

Model simulasi dinyatakan memberikan prediksi temperatur yang semakin baik bila persamaan regresinya memiliki koefisien intersep (a) mendekati nol dan gradiennya mendekati satu.

kemudian dilakukan perhitungan nilai Standard Error of Prediction (SEP) dan nilai bias.

6. Pengembangan Jaringan Artificial Neural Network (ANN)

Program ANN yang dikembangkan menggunakan algoritma back propagation. Model ANN yang digunakan terdiri dari tiga layer yaitu input layer, hidden layer dan output layer.

Pada pendugaan ANN digunakan model arsitektur yang telah dikembangkan oleh Nuryawati (2006) dimana input layer terdiri dari data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari, temperatur atap greenhouse, temperatur permukaan tanah dan temperatur tanah pada kedalaman 0.315 m. Parameter pada input layer ditentukan berdasarkan analisis variabel pada persamaan kesetimbangan panas yang terjadi dalam greenhouse. Variabel yang dipilih adalah variabel dasar yang terdapat pada persamaan kesetimbangan panas dan dilakukan pengukuran dalam penelitian. Outputlayer berupa pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse.

Selain menggunakan model arsitektur yang dikembangkan Nuryawati (2006), pendugaan temperatur di dalam greenhouse juga dilakukan dengan menggunakan empat data input yang bisa didapatkan dari stasiun klimatologi. Data-data tersebut adalah kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari dan kelembaban udara di dalam greenhouse.

Model yang digunakan untuk pendugaan ANN dengan arsitektur yang dikembangkan oleh Nuryawati (2006), menggunakan tiga model yang telah dikembangkan oleh Suhardiyanto (2007). Model pertama menggunakan 55% data training dan 45% data validasi. Model kedua

(47)

22 data training dan data validasi yang digunakan masing-masing sebesar 67% dan 33%. Model ketiga menggunakan data training sebanyak 75% dan data validasi 25%. Untuk pendugaan dengan arsitekrur yang memasukkan empat data input dari stasiun klimatologi, hanya dilakukan pada model terbaik untuk pengembangan ANN oleh Nuryawati (2006) setelah dilakukan validasi.

Kinerja jaringan dapat dinilai dengan nilai Root Mean Square Error (RMSE). Nilai ini dapat diketahui langsung dengan program ANN yng telah dikembangkan oleh Rudiyanto. Setelah mendapatkan nilai RMSE yang cukup kecil, maka dilakukan validasi. Validasi dilakukan dengan menghitung nilai Standard Error of Prediction (SEP), bias, dan Coefficient of Variation (CV). Ketiga nilai tersebut menyatakan tingkat kecocokan antara nilai suhu hasil pendugaan dengan ANN serta hasil pengukuran. Semakin kecil nilai SEP dan CV, serta nilai bias yang semakin mendekati nol, maka semakin baik tingkat kecocokannya.

(48)

(49)

24 Gambar 5. Diagram alir ANN backpropagation untuk memprediksi

temperatur di dalam greenhouse. Mulai

Input data training Input data kontrol

Learning rate, konstantan momentum, gain, target

iterasi

Proses perhitungan nilai aktivasi dan perbaikan nilai pembatas

Training dan Kontrol tercapai optimal

(50)

Gambar 6. Diagram alir program perhitungan kosinus sudut datang

radiasi matahari.

Next t

Print: Sudut datang radiasi matahari

Selesai

Hit: azimuth, Tsurya, sudut datang radiasi matahari

t = t + dt

Mulai

Julian day : n, L, LGT, t, timeend, dt, beta

(51)

26 Gambar 7. Diagram alir program simulasi pindah panas.

alfa, emisivitas, transmisivitas, massa, Cp, ρ, boltzman, Qst, t,

dt, timeend

Baca data : Kosinus sudut

datang radiasi matahari,Radiasi, Tout, wind,

konversi wind, Tvent

t = t+dt

Print: Tcover,Tin, Tpermukaan tanah, Ttanah

Next I

Selesai

Hit: matriks persamaan pindah panas, gaus

Hit : Tsky, hw, Qpintu, m*Cp, h*A

(52)

V. PEMBAHASAN

V.1 Pengaruh Sudut Datang Radiasi Matahari Terhadap Penutup Greenhouse

Radiasi adalah energi yang terpancar dari suatu benda dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang merupakan perubahan konfigurasi atom atau molekul (Cengel, 2003). Dengan adanya radiasi matahari yang masuk ke dalam greenhouse, maka terjadi pula transfer energi yang dipancarkan matahari ke dalam greenhouse. Energi panas yang berpindah mempengaruhi temperatur di dalam greenhouse.

Faktor yang mempengaruhi besarya radiasi matahari ke dalam greenhouse diantaranya adalah jenis penutup greenhouse, bentuk bangunan greenhouse dan posisi matahari terhadap greenhouse. Bahan penutup greenhouse memiliki nilai absorptivitas dan nilai transmisivitas yang menunjukkan seberapa besar bahan tersebut menyerap dan meneruskan radiasi matahari langsung yang masuk ke dalam greenhouse. Bentuk greenhouse menunjukkan seberapa besar luasan permukaan atap dan dinding yang dilewati radiasi matahari. Posisi matahari terhadap greenhouse juga mempengaruhi radiasi yang masuk ke dalamnya. Pengaruh posisi matahari dapat dilihat dari besarnya nilai kosinus sudut datang radiasi matahari terhadap greenhouse.

Pengambilan data dilakukan pada tanggal 26 Mei 2007 hingga 1 Juni 2007 untuk melihat pengaruh sudut datang radiasi matahari terhadap temperatur dalam greenhouse pada kondisi cerah serta kondisi berawan dan hujan. Berikut grafik yang menunjukkan radiasi matahari harian dan total pada tanggal 26 - 30 Mei dan 1 Juni.

(53)

28 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

06.0007.0008.0009.0 0

10.0011.0012.0013.0014.0015.0 0

16.0017.0018.00

Waktu ra d ia s i ( W /m 2 ) 26 mei 27 mei 28 mei 29 mei 30 mei 1 juni

Gambar 8. Perubahan radiasi matahari harian selama pengukuran. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

26 mei 27 mei 28 mei 29 mei 30 mei 1 juni

Tanggal R ad iasi M at ah ar i ( W /m 2)

Gambar 9. Radiasi Total Harian Selama Pengukuran

Tanggal 26 Mei, 28 Mei dan 30 Mei mewakili keadaan cuaca cerah. Nilai radiasi total harian pada tanggal 26, 28 dan 30 Mei berturut-turut adalah 6524.584 Wh/m2, 6552.922 Wh/m2 dan 6004.413 Wh/m2. Sedangkan tanggal 27 Mei, 29 Mei dan 1 Juni mewakili cuaca berawan dan hujan dengan nilai radiasi total harian berturut-turut adalah 5353.043 Wh/m2, 5442.063 Wh/m2 dan 4586.437 Wh/m2.

(54)

Nilai kosinus sudut radiasi matahari mempengaruhi temperatur di dalam greenhouse. Jika besarnya nilai ini dan temperatur di dalam greenhouse diketahui, maka dapat diketahui pula bagaimana posisi matahari terhadap bangunan, yang selanjutnya dapat mempengaruhi temperatur di dalam greenhouse. Berikut contoh grafik nilai kosinus sudut yang digambarkan terpisah bagian utara dan selatan yang diambil dari hari pengukuran tanggal 26 Mei 2007.

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00

Waktu (WIB)

tet

Ku Ks

Gambar 10. Grafik kosinus sudut datang radiasi matahari

Dari grafik di atas dapat diketahui karakteristik sudut datang radiasi matahari terhadap bangunan yang berorientasi timur-barat. Terlihat bahwa posisi matahari pada pagi hari dan sore hari bernilai negatif karena membentuk sudut lebih dari 90° dengan bagian atap yang menghadap ke utara. Karena matahari yang berada berhadapan dengan sisi atap bagian utara bangunan maka perubahan nilai kosinus sudutnya mengikuti perubahan posisi matahari. Pada bagian atap yang menghadap selatan, sudut datang matahari selalu membentuk sudut kurang dari 90°. Sudutnya akan terus bertambah pada awal hari, sedikit menurun pada siang hari dan naik hingga sore hari kemudian turun lagi hingga matahari terbenam. Karakter ini selalu terjadi pada setiap hari pengukuran.

(55)

30 V.2 Pengaruh Pindah Panas Terhadap Temperatur dalam Greenhouse

Pindah panas yang terjadi dalam greenhouse akan mempengaruhi tinggi rendahnya suhu di dalam greenhouse. Pindah panas di dalam greenhouse terjadi pada penutup greenhouse, udara di dalam greenhouse, permukaan tanah dan dari dalam tanah. Nilai temperatur di dalam greenhouse yang dipengaruhi oleh pindah panas dari keempat bagian tersebut dapat diduga dengan menggunakan simulasi program.

Di dalam greenhouse, perpindahan panas dipengaruhi oleh bahan penutup greenhouse, radiasi matahari, tanah, ventilasi, serta tanaman di dalam greenhouse. Pada greenhouse tipe tunnel di PT Alam Indah Bunga Nusantara, telah dilakukan modifikasi pada bagian atap greenhouse. Modifikasi dilakukan dengan memberikan atap tambahan dan ventilasi alami di atas atap utama. Penambahan atap dan ventilasi ini diharapkan akan mengurangi panas di dalam greenhouse. Menurut Walker, kehilangan panas yang utama adalah akibat pengaruh udara yang mengalir melalui ventilasi. Namun, penambahan ventilasi ini juga diharapkan tetap tidak akan membawa angin yang cukup besar dari luar greenhouse yang dapat membawa penyakit serta menyebabkan kesulitan mendapatklan CO2 bagi

tanaman krisan. Maka ventilasi yang digunakan dari bahan screen. Hasil penelitian yang dilakukan Bertzanas menunjukkan bahwa ventilasi yang terbuat dari screen dapat mengurangi kecepatan angin 3.5 hingga 7 m/s dibandingkan dengan kecepatan angin di luar greenhouse. Dari data yang diperoleh, dapat diketahui bahwa kecepatan angin di dalam greenhouse berkisar di pada nilai 0 – 2.5 m/s.

(56)

Tabel 1. Nilai konstanta yang digunakan dalam simulasi pendugaan temperatur di dalam greenhouse.

Simbol Nilai

Aa 753.982 m2

Apt 25.133 m2

Av 39 m2

At 480 m2

Cpa 1900 J/Kg K

Cpud 1007 J/Kg K

Cpt 800 J/Kg K

hi 7 W/m2ºC

hv 10 W/m2ºC

ht 5 W/m2ºC

kt 8.8 W/mK

L 6.75 LS

LGT 108.35 BT

ma 1832.177 kg

mud 1916.936 kg

mpt 12768 kg

mt 210672 kg

Qst 0.33

Ta 19.3 ºC

Tin 19.9 ºC

Tpt 21.5 ºC

Tt 24.8 ºC

Xt 0.165 m

Xtd 0.315 m

αa 0.13

αt 0.85

εa 0.2

εt 0.9

ρudara 1.168 kg/m3

0.69

(57)

32 Program dibuat dengan menggunakan Excel Macro dan dengan memasukkan semua faktor yang mempengaruhi perpindahan panas. Metode numerik yang digunakan untuk pendugaan panas adalah metode finite difference. Metode ini mengubah bentuk persamaan-persamaan differensial pindah panas menjadi sistem linier yang kemudian diselesaikan dengan metode Gaus. Berikut grafik yang menggambarkan hubungan antara temperatur pengukuran hasil pengukuran dan hasil simulasi.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 06.0 0 07.0 0

08.00 09.00 10.0 0 11.0 0 12.0 0 13.0 0 14.0 0 15.0 0 16.0 0

17.00 18.00

Waktu (WIB) T em p er at u r ( o C) Tin simulasi Tin pengukuran

Gambar 11. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 26 Mei 2007 dengan cuaca cerah.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 06.0 0 07.0 0 08.0 0 09.0 0

10.00 11.0 0 12.0 0 13.0 0 14.0 0 15.0 0 16.0 0 17.0 0 18.00 Waktu (WIB) T em p er at u r ( o C) Tin simulasi Tin pengukuran

Gambar 12. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 27 Mei 2007 dengan cuaca berawan dan hujan.

(58)

. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 06.0 0 07.0 0 08.0 0 09.0 0

10.00 11.0 0 12.0 0 13.0 0 14.0 0 15.0 0 16.0 0 17.0 0 18.00 Waktu (WIB) T e mp er at u r ( o C) Tin simulasi Tin pengukuran

Gambar 13. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 28 Mei 2007 dengan cuaca cerah.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 06.0 0 07.0 0 08.0 0 09.0 0

10.00 11.0 0 12.0 0 13.0 0 14.0 0 15.0 0 16.0 0 17.0 0 18.00 Waktu (WIB) T em p er at u r ( o C) Tin simulasi Tin pengukuran

Gambar 14. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 29 Mei 2007 dengan cuaca berawan dan hujan.

(59)

34 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

06.00 07.00 08.0009.0010.0 0

11.00 12.0013.0 0

14.0015.0016.00 17.00 18.0 0 Waktu (WIB) T e m p er at u r ( C ) Tin simulasi Tin pengukuran

Gambar 15. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 30 Mei 2007 dengan cuaca cerah.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 06. 00 07. 00 08. 00 09. 00 10.0 0 11.0 0 12.0 0 13.0 0 14. 00 15. 00 16. 00 17. 00 18. 00 Waktu (WIB) T e mp er at u r ( o C) Tin simulasi Tin pengukuran

Gambar 16. Perbandingan antara temperatur hasil simulasi dengan hasil pengukuran tanggal 1 Juni 2007 dengan cuaca berawan dan hujan.

V.3 Validasi Simulasi Pindah Panas dalam Greenhouse

Pengolahan data hasil pengukuran di lapangan diolah dengan simulasi program pindah panas. Simulasi tersebut telah memasukkan semua faktor yang menyebabkan terjadinya pindah panas. Data hasil simulasi tersebut kemudian dibandingkan dengan hasil pengukuran di lapangan.

(60)

Gambar 19 menunjukkan hubungan linier antara temperatur hasil simulasi dan temperatur hasil pengukuran. Persamaan regresi yang terbentuk adalah y = 0.9064x + 3.2891. Nilai R2 adalah 0.6411. Simulasi dapat dikatakan cukup akurat karena intersepnya mendekati nol dan gradien masih mendekati satu. Berikut grafik hubungan linier antara hasil pengukuran dan hasil simulasi.

y = 0.9064x + 3.2891 R2_{= 0.6411}

10 20 30 40

Tin Pengukuran (o_C)

n S

imu

i (

oC)

Gambar 17. Hubungan linear antara temperatur hasil pendugaansimulasi dengan hasil pengukuran.

Setelah diketahui, garis regresi, kemudian dihitung nilai Average Percetage of Defiation (APD). Nilai APD yang didapatkan adalah 9.531 %. Nilai ini menunjukkan rata-rata penyimpangan hasil simulasi terhadap trendline. Untuk nilai APD yang menunjukkan rata-rata penyimpangan hasil simulasi terhadap garis y = x didapatkan nilai 9.744 %.

V.4 Simulasi ArtificialNeuralNetwork (ANN)

Selain menggunakan simulasi program, pendugaan temperatur di dalam greenhouse juga menggunakan program Artificial Neural Network.

(61)

36 menyelesaikan persoalan dengan tingkat kesulitan yang lebih tinggi. Program ini dapat menunjukkan nilai pendugaan temperatur di dalam greenhouse sebagai output dengan memasukkan data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari, temperatur atap greenhouse, temperatur permukaan tanah dan temperatur tanah pada kedalaman 0.315 m sebagai input. Model ANN ini telah dikembangkan oleh Nuryawati (2006).

Dari hasil pendugaan tersebut dapat diketahui bahwa hasil pendugaan suhu dengan ANN menunjukkan nilai yang lebih tinggi dari pada suhu pengukuran. Dari ketiga model variasi data training dan validasi, model II memiliki nilai bias yang paling mendekati nol yakni -0.150. Nilai bias pada model I dan III masing-masing adalah -0.177 dan -0.629. Pada nilai bias ini, angka menunjukkan tingkat kecocokan hasil pendugaan dengan hasil pengukuran sedangkan tanda negatif menjukkan bahwa hasil pendugaan lebih besar daripada hasil pengukuran. Untuk pendugaan dengan empat input, didapatkan nilai bias 0.170. Nilai bias cukup kecil sehingga dapat dikatakan bahwa hasil pendugaan cukup baik.

Kemudian dilakukan simulasi dengan menggunakan hanya empat data input yaitu data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari dan kelembaban udara. Simulasi ini dilakukan agar dapat menduga temperatur greenhouse dengan data yang bisa didapatkan dari stasiun klimatologi. Pendugaan dilakukan dengan model II.

Berdasarkan nilai bias, diketahui bahwa pendugaan temperatur di dalam greenhouse dengan menggunakan ANN pengembangan Nuryawati (2006) lebih baik dibandingkan dengan menggunakan empat data input. Namun, input untuk model yang dikembangkan Nuryawati tidak mudah didapatkan. Pada input yang digunakan Nuryawati harus diukur temperatur atap, temperatur permukaan tanah dan lapisan tanah pada kedalaman 0.315 m. Pada model dimana empat data input yang berupa data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari dan kelembaban udara, data bisa didapatkan di stasiun klimatologi.

(62)

V.4 Validasi ArtificialNeuralNetwork (ANN)

Program simulasi ANN yang dikembangkan oleh Rudiyanto akan berhenti melakukan iterasi pada saat telah mencapai minimum global dan iterasinya optimal sehingga didapatkan nilai Root Mean Square Error (RMSE) yang cukup kecil. Nilai RMSE dan nilai koefisien korelasi menunjukkan kinerja ANN dimana bila nilai ini telah mencapai angka yang cukup kecil, maka dapat langsung dilakukan validasi data dengan menghitung nilai Standard Error of Prediction (SEP), bias dan Coefficient of Variation (CV). Nilai RMSE untuk model pertama, kedua dan ketiga adalah 0.0007. Dengan jumlah iterasi untuk setiap model berturut-turut adalah 116600, 68800 dan 92500.

Setelah dilakukan perhitungan, berikut adalah tabel nilai SEP, bias dan CV hasil validasi.

Tabel 2. Hasil validasi ANN

Model Jumlah Iterasi RMSE SEP bias CV

I 116600 0.0007 1.044 -0.177 3.542

II 68800 0.0007 0.785 -0.150 2.697

III 92500 0.0007 0.955 -0.629 3.352

Dari tabel diatas, dapat diketahui bahwa Model II dengan variasi data training 67% dan data tes 33% adalah model paling baik yang dapat digunakan untuk penduaan temperatur di dalam greenhouse dengan menggunakan ANN.

Hasil validasi untuk pendugaan dengan input berupa data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari dan kelembaban udara, didapatkan nilai RMSE 0.002. kemudian divalidasi dan menghasilkan nilai SEP 2.05, bias 0.170, dan CV 0.741.

Berikut grafik hubungan linier antara hasil pengukuran dan hasil pendugaan ANN untuk model II.

(63)

y = 0.9292x + 2.2096 R2 = 0.9576

10 20 30 40

Tin pengukuran (oC)

n pe

n (

o C)

Gambar 18. Hubungan linear antara temperatur hasil

pendugaan ANN dengan hasil pengukuran dengan

enam data input.

Gambar 18 adalah validasi model simulasi ANN dengan arsitektur yang dikembangkan oleh Nuryawati yaitu dengan memasukkan enam data input. Persamaan regresi yang terbentuk adalah y = 0.9292x + 2.2096 dengan koefisien korelasi 0.9576. Nilai intersep yang dihasilkan mendekati nol. Gradienya menekati satu. Sehingga dapat dikatakan bahwa hasil pendugaan ANN dengan menggunakan model ini cukup akurat. Nilai APD yang didapatkan adalah 2.003%. Nilai ini menunjukkan rata-rata penyimpangan hasil simulasi terhadap trendline. Untuk nilai APD yang menunjukkan rata-rata penyimpangan hasil simulasi terhadap garis y = x didapatkan nilai 2.119 %.

(64)

y = 0.7564x + 7.9873 R2_{= 0.8828}

10 20 30 40

Tin Pengukuran (o_C)

ndu

(

oC)

Gambar 19. Hubungan linear antara temperatur hasil

pendugaan ANN dengan hasil pengukuran dengan empat data input.

Gambar 19 adalah validasi model simulasi ANN dengan empat data input. Persamaan regresi yang terbentuk adalah y = 0.7442x + 7.2791 dengan koefisien korelasi 0.9182. Nilai APD yang didapatkan adalah 3.217 %. Nilai ini menunjukkan rata-rata penyimpangan hasil simulasi terhadap trendline. Untuk nilai APD yang menunjukkan rata-rata penyimpangan hasil simulasi terhadap garis y = x didapatkan nilai 5.454 %.

Nilai intersep yang dihasilkan jauh lebih besar dibandingkan pendugaan ANN dengan pemodelan yang dikembangkan oleh Nuryawati. Namun, dengan menggunakan data radiasi matahari, kecepatan angin, kelembaban udara dan temperatur lingkungan di luar greenhouse, maka akan memudahkan dalam pendugaan temperatur di dalam greenhouse. Hal ini karena keempat data tersebut bias langsung di dapatkan dari stasiun klimatologi sehingga tidak perlu melakukan pengukuran terhadap greenhouse.

(65)

40 VI. KESIMPULAN DAN SARAN

VI.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat ditarik dari penelitian kali ini adalah bahwa karakteristik kosinus sudut datang radiasi matahari pada greenhouse tipe tunnel yang dimodifikasi adalah nilai kosinus sudut datang akan negatif pada pagi dan sore hari untuk atap yang menghadap utara. Untuk atap yang menghadap selatan, akan selalu bernilai positif.

Nilai kosinus sudut datang radiasi matahari akan mempengaruhi pindah panas akibat radiasi matahari pada penutup greenhouse. Kemudian pindah panas secara konveksi terjadi pada penutup atap greenhouse bagian dalam dengan udara dalam sehingga mempengaruhi temperatur di dalam greenhouse. Selain itu, pindah panas konveksi terjadi juga pada permukaan tanah, dan ventilasi. Pindah panas konduksi terjadi pada lapisan tanah di bawah permukaan. Perubahan temperatur di dalam greenhouse dipengaruhi oleh besaran dan arah perpindah panas yang terjadi pada greenhouse.

Pendugaan temperatur di dalam greenhouse digunakan simulasi program dan Artificial Neural Network (ANN). Hasil pendugaan dengan simulasi mendapatkan persamaan y = 0.9064x + 3.2891. Nilai R2 adalah 0.6411. Simulasi dapat dikatakan cukup akurat karena nilai intersepnya mendekati nol dan gradien mendekati satu.

Untuk ANN digunakan 3 model untuk membagi data training dan validasi. Model yang terbaik adalah model pembagian data training dan validasi masing-masing 67% dan 33%. Kemudian pendugaan dengan model II dibuat persamaan regresi sehingga didapat persamaan y = 0.9292x + 2.2096 dengan koefisien korelasi 0.9576. Nilai ini menunjukkan bahwa hasil pendugaan cukup akurat karena nilai intersepnya mendekati nol dan gradien mendekati satu. Kemudian dengan menggunakan model II, dilakukan pendugaan ANN yang memasukkan empat data iklim makro yang bisa didapatkan dari stasiun klimatologi. Hasil validasi yang didapatkan sudah cukup baik. Walaupun tidak seakurat hasil pendugaan yang dikembangkan

(66)

oleh Nuryawati, namun pendugaan dengan empat data iklim makro ini lebih mudah dilakukan karena data input bisa didapatkan dari stasiun klimatologi.

Berdasarkan simulasi yang dilakukan, diketahui bahwa pendugaan temperatur di dalam greenhouse dengan menggunakan ANN lebih baik daripada menggunakan simulasi pindah panas dengan excel macro.

VI.1 Saran

Dari penelitian ini, saran yang dapat diberikan adalah :

1. Faktor-faktor yang berpengaruh pada perpindahan panas seperti pengaruh transpirasi tanaman dan panas yang dihasilkan oleh alat yang menghasilkan panas di dalam greenhouse sebaiknya dimasukkan ke dalam perhitungan pindah panas.

2. Untuk mendekati hasil pendugaan yang lebih baik, konstanta pindah panas yang digunakan sebaiknya sesuai dengan keadaan di tempat dilakukannya pengukuran.

(67)

42 IV. DAFTAR PUSTAKA

Bartzanas, T., Boulard, T., Kittas, C. 2002. Numerical Simulation of the Air Flow and Temperature Distribution in a Tunnel Greenhouse Equipped with Insect Proof Screen in the Openings. Computers and Electronics in Agriculture. 34 : 207.

Budiarto, K., dkk. 2006. Budidaya Krisan Bunga Potong. Pusat penelitian dan Pengembangan Hortikultura, Jakarta.

Cengel, Y.A. 2003. Heat Transfer : A Practical Approach 2nd. Ed. McGraw-Hill Companies, inc. Boston.

Esmay, M.L., J.E. dixon. 1983. Environmental Control for Agricultural Buildings. The Avi Publishing Inc, Westport, Conecticut, USA.

Falah, M.A., 2006. Perspektif Pertanian dalam Lingkungan yang terkontrol. INOVASI. 6 (XVII)

Hanan, J.J., W.D, Holley, K.L. Goldsberry. 1978. Greenhouse Management. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.

Holman, J.P., 1997. Heat Transfer. McGraw-Hill Companies, inc. New York, USA.

Jansen, T.J. 1995. Teknologi Rekayasa Surya. Diterjemahkan oleh Wiranto Arismunandar. PT. Pradnya Paramitha, Jakarta.

Mastalerz, J.W. 1977. The Greenhouse Environment. John Wiley and sons, inc. The Pensylvania State University, New York, USA.

Nelson, Paul V. 2003. GreenhouseManagement and Operation, 6th ed. Prentice Hall, New Jersey.

Nuryawati, T. 2006. Analisis Sudut Datang Radiasi matahari dan Pengembangan Model Pindah Panas pada Greenhouse Mengunakan Artificial neural Network. Skripsi. Departemen Teknik Pertanian. FATETA. IPB. Bogor.

(1)

81 Lampiran 7. (Lanjutan)

Private Sub CommandButton1_Click() dt = 600

t = 0

timeend = 72 k = 2

Call Datainput T10 = T1 T20 = T2 T30 = T3 T40 = T4

Sheet3.Cells(k, 6) = T1 Sheet3.Cells(k, 7) = T2 Sheet3.Cells(k, 8) = T3 Sheet3.Cells(k, 9) = T4 k = k + 1

Do Until t > timeend IRR = Sheet2.Cells(k, 2) TL = Sheet2.Cells(k, 3) Ttd = Sheet2.Cells(k, 4) wind = Sheet2.Cells(k, 5) kse = Sheet2.Cells(k, 6) tv1 = Sheet2.Cells(k, 7) tv2 = Sheet2.Cells(k, 8) kwind = Sheet2.Cells(k, 9) kwv = Sheet2.Cells(k, 10)

Call matrik Call gaus Call Hasil

T10 = yh(1) T20 = yh(2) T30 = yh(3) T40 = yh(4)

k = k + 1 t = t + 1 Loop End Sub

(2)

(3)

83 Lampiran 9. Gambar teknik greenhouse tampak depan.

(4)

(5)

85 Lampiran 11. Gambar teknik greenhouse tampak atas.

(6)