Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding pada Rumah Kaca di Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG)

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

ENI SUMARNI

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007

ii

ABSTRACT
Eni Sumarni. Optimization of Greenhouse Roof Angle and Side Wall in Tropical
Region by Using Genetic Algorithms (GA). Under the direction of HERRY
SUHARDIYANTO dan LEOPOLD OSCAR NELWAN.
The objective of this research was to investigate the influence of roof angle
and side wall of a standard peak greenhouse to air temperature inside the
greenhouse based on heat transfer equations, investigate the best configuration of
greenhouse roof angle and side wall by using genetic algorithms (GA) with a

reference of modification cost.
The research was conducted in a standard peak greenhouse located at
Leuwikopo experiment site, Department of Agricultural Engineering, Bogor
Agricultural University from March to Mei 2007. Data acquisitions were done by
using weather station (RM YOUNG 26700 Model), translator, thermocouple,
Personal Computer, Hybrid Recorder (HR 2300), Pyranometer (MS-42 model
A83182 series), oil bath and standard thermometer. Heat transfer equations to
predict air temperature inside the greenhouse were consisted by three elements:
1) greenhouse cover, 2) inside air temperature, and 3) floor and soil layers.
Validation was conducted by using linier regression and calculation of Average
Percentage of Deviation (APD). The optimization was conducted to know
optimum roof angle of greenhouse to decrease air temperature inside the
greenhouse. Optimization process includes evaluation, selection, crossover and
mutation.
The results showed that the best design factor of roof angle was affected
by wind speed and solar radiation. Roof angle 37o are recommended for 0 m/s
wind speed, 38o are recommended for 1.1 m/s wind speed, 28o are recommended
for 2.4 m/s2 wind speed and 27o are recommended for 3.5 m/s in 340 W/m2
radiation. Roof angle 38o are recommended for 0 m/s wind speed, 39oare
recommended for 1.1 m/s wind speed, and 30o are recommended for 2.4 m/s and

3.5 m/s wind speed in 531 W/m2 radiation. Increase in roof angle causes in
increase in the cost, considerably. Air temperature inside the greenhouse was
affected by climatic condition. Optimization of greenhouse roof angle and side
wall by using genetic algorithms can be used as a design tool for greenhouse in
tropical region.

Key word: roof angle, greenhouse design, tropical region, genetic algorithms

RINGKASAN
Radiasi matahari yang masuk ke dalam greenhouse mempengaruhi suhu
udara dalam greenhouse dan keseimbangan panas dalam greenhouse yang pada
akhirnya menciptakan kondisi yang berbeda dengan sekitar greenhouse. Besarnya
radiasi matahari dipengaruhi oleh lokasi suatu tempat karena perbedaan garis
lintang, ketinggian, tanggal dalam setahun dan musim. Sudut datang radiasi
matahari yang bervariasi sepanjang hari berpengaruh pada kondisi iklim mikro di
dalam greenhouse.
Pendugaan suhu udara di dalam greenhouse diperlukan dalam
perancangan greenhouse. Pendugaan dengan menggunakan simulasi berdasarkan
persamaan pindah panas dengan mempertimbangkan sudut datang radiasi
matahari pada penutup greenhouse dan kemiringan sudut atap greenhouse

diharapkan dapat memberikan hasil yang baik. Oleh karena itu perlu dilakukan
penelitian hubungan antara kemiringan atap dan tinggi dinding dengan suhu udara
di dalam greenhouse. Optimisasi sudut atap dan tinggi dinding yang optimum
untuk mendapatkan suhu udara terendah di dalam greenhouse dapat dilakukan
menggunakan algoritma genetik (AG). AG adalah metode optimasi menggunakan
prinsip ilmu genetik dari teori Darwin untuk mendapatkan tujuan tertentu. Ide
dasarnya adalah organisme yang berevolusi dari generasi ke generasi untuk
beradaptasi dengan lingkungannya.
Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh sudut atap dan tinggi
dinding greenhouse terhadap suhu udara di dalam greenhouse tipe standar peak
dengan prinsip pindah panas, mengetahui modifikasi yang paling baik dari
hubungan sudut atap dan tinggi dinding greenhouse tipe standar peak dengan
optimasi menggunakan algoritma genetik (AG), dan mengetahui biaya greenhouse
dari hasil optimasi algoritma genetik (AG).
Penelitian dilakukan pada Maret 2007 sampai dengan Mei 2007 di
Greenhouse Departemen Teknik Pertanian, Leuwikopo, IPB. Alat dan Bahan
yang digunakan pada penelitian ini adalah greenhouse tipe standar peak, weather
station RM YOUNG model 26700, translator, komputer, termokopel, Hybrid
Recorder tipe HR 2300, Pyranometer model MS-42 seri A83182, serta oil bath
dan termometer standar. Persamaan keseimbangan panas untuk memprediksi suhu

udara di dalam greenhouse dengan mempertimbangkan sudut datang matahari
dibagi menjadi tiga elemen, yaitu keseimbangan panas pada penutup greenhouse,
keseimbangan panas di permukaan lantai dan lapisan tanah. Validasi dilakukan
dengan menggunakan regresi linier dan Average Percentage of Deviation (APD).
Optimasi algoritma genetik (AG) yang dikembangkan bertujuan meminimalkan
suhu udara rata-rata dalam greenhouse dari variabel perancangan greenhouse,
yaitu sudut atap greenhouse.
Hubungan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dan suhu udara
hasil pengukuran menghasilkan persamaan regresi Y = 0.8122x – 3.8547, dengan
koefisien determinasi sebesar 0.8305 dan APD sebesar 7.8%. Pada kondisi radiasi
matahari 340 W/m2 sudut atap yang disarankan adalah 37o untuk kecepatan angin
0 m/s, sudut atap 38o untuk kecepatan angin 1.1 m/s, sudut atap 28o untuk
kecepatan angin 2.4 m/s dan 27o untuk kecepatan angin 3.5 m/s. Pada kondisi
radiasi 531 W/m2 sudut atap yang disarankan adalah 38o untuk kecepatan angin 0
m/s, sudut atap 39o untuk kecepatan angin 1. 1 m/s 2.4 m/s dan 3.5 m/s. Biaya per

satuan luas atap lebih tinggi dari pada dinding greenhouse, sehingga semakin
besar atap, maka semakin besar biaya. Greenhouse dengan kemiringan atap 27o
sampai 30o membutuhkan biaya Rp. 38.588.700 sampai Rp. 38.718. 100. Sudut
kemiringan atap 37o sampai 39o membutuhkan biaya Rp.39.341.300 sampai Rp.

39.490.200.
Hasil optimasi menunjukkan bahwa suhu udara di dalam greenhouse
dipengaruhi oleh kondisi cuaca sekitar greenhouse. Pengendalian alami dengan
mempertimbangkan faktor desain greenhouse bermanfaat untuk mengurangi
beban panas dalam greenhouse.

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

ENI SUMARNI

Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR

2007

ii

Judul Tesis

: Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding pada Rumah Kaca di
Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG)

Nama

: Eni Sumarni

NRP

: F151050021

Disetujui
Komisi Pembimbing

Dr. Ir. H.Herry Suhardiyanto, M.Sc.

Dr. Leopold Oscar Nelwan, STP, M.Si.

Ketua

Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi

Dekan Sekolah Pascasarjana

Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr. Ir. Budi Indra Setiawan, M.Agr.

Tanggal Ujian : 20 Juli 2007

Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, M.S.

Tanggal Lulus :

ii

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

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

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Optimasi Sudut Atap dan Tinggi
Dinding pada Rumah Kaca di Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG)
adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya

yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir.

Bogor, Agustus 2007

Eni Sumarni
F151050021

PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas limpahan Rahmat
dan ridho-Nya, sehingga tesis tentang Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding
pada Rumah Kaca di Daerah Tropika dengan Algoritma Genetik (AG) dapat
terselesaikan. Tesis ini sebagai salah satu syarat mendapatkan gelar Magíster
Sains pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB.
Pada kesempatan ini disampaikan tarima kasih kepada:
1. BPPS DIKTI yang telah memberikan dana sehingga aktivitas studi dan
penelitian ini dapat berjalan.
2. Dr. Ir. H. Herry Suhardiyanto, MSc. Dan Dr. Leopold Oscar Nelwan, STP.
Msi. sebagai komisi pembimbing atas bimbingan, arahan dan perhatiannya.
3. Dr. Ir. Suroso, MAgr. sebagai penguji, atas saran perbaikannya.

4. Institut Pertanian Bogor yang telah memberikan kesempatan studi di Program
Studi Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian.
5. Universitas Jenderal Soedirman, Purwokerto yang telah memberikan ijin studi
di Program Studi Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian.
6. Noor Farid, suamiku, Dilla, Dina, dan Nanda anakku atas dukungan semangat
dan doa.
7. Ibu dan Bapak atas dukungan dan nasehatnya.
8. Pak Ahmad, Pak Harto, Pak Eman, Mas Firman, Titin, Dona, Khafid, Eka,
Dewi, Iwa, Shinta, Yuni, Anne, Slamet Widodo, Rudiyanto, Sofyan, Nunik,
Tika, Mba Dewi, Faida dan rekan-rekan satu angkatan pada Program
Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian atas bantuan selama penyelesaian
tesis ini.
9. Semua pihak yang telah tekun membantu pelaksanaan penelitian ini.
Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Bogor, Agustus 2007

Eni Sumarni

ii

RIWAYAT HIDUP

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

ii

DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ...............................................................................................

v

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... vi
DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xi
DAFTAR SIMBOL.............................................................................................

x

PENDAHULUAN ..............................................................................................

1

Latar Belakang ........................................................................................
Tujuan Penelitian ....................................................................................
Manfaat Penelitian ..................................................................................

1
3
3

TINJAUAN PUSTAKA .....................................................................................

4

Greenhouse sebagai Lingkungan Tumbuh Tanaman ..............................
Suhu Udara dalam Greenhouse...............................................................
Radiasi Matahari dann Geometri Matahari .............................................
Ventilasi ..................................................................................................
Simulasi Suhu Udara dalam Greenhouse................................................
Algoritma Genetik (AG) .........................................................................

4
5
5
7
8
9

PENDEKATAN TEORITIS ............................................................................... 13
Radiasi Matahari pada Bidang Horizontal .............................................. 13
Radiasi Matahari pada Permukaan Penutup Atap ................................... 15
Pindah Panas dalam Greenhouse ............................................................ 16
BAHAN DAN METODE ................................................................................... 21
Waktu dan Tempat .................................................................................. 21
Bahan dan Alat ........................................................................................ 21
Metode Penelitian ................................................................................... 23
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................... 31
Sudut Datang Matahari pada Penutup Atap Greenhouse........................
Model Pindah Panas dalam Greenhouse .................................................
Validasi Model ........................................................................................
Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding dengan Algoritma
Genetik ....................................................................................................
Biaya Greenhouse Hasil Optimasi ..........................................................

31
35
42
43
43

SIMPULAN DAN SARAN ................................................................................ 66
Simpulan ................................................................................................. 66
Saran........................................................................................................ 66

iii

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 68
LAMPIRAN ..................................................................................................... 74

iv

DAFTAR TABEL

Halaman
1 Prosentase distribusi energi radiasi matahari di atmosfer dan permukaan
bumi .................................................................................................................

6

2 Konstanta yang digunakan dalam simulasi pendugaan suhu udara dalam
greenhouse ....................................................................................................... 39
3 Perbedaan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil
pengukuran tanggal 29 Maret 2007 sampai 2 April 2007 ............................... 40
4 Data input algoritma genetik ........................................................................... 44
5 Parameter algoritma genetik ............................................................................ 44
6 Hasil optimasi AG untuk radiasi rata-rata 340 W/m2 ...................................... 45
7 Hasil optimasi AG untuk radiasi rata-rata 531 W/m2 ...................................... 45
8 Biaya greenhouse hasil optimasi ..................................................................... 64

v

DAFTAR GAMBAR

Halaman
1 Tahapan algoritma genetik ............................................................................. 12
2 Sudut datang radiasi matahari pada permukaan horizontal ........................... 13
3 Sudut datang radiasi matahari pada atap bangunan berorientasi timur
barat ............................................................................................................... 15
4 Sudut radiasi matahari pada kemiringan atap berorientasi Utara-Selatan ..... 16
5 Lingkungan termal greenhouse ..................................................................... 17
6 Tampak depan greenhouse existing............................................................... 21
7 Greenhouse standar peak existing yang digunakan sebagai bahan analisis .. 22
8 Skema titik pengukuran pada greenhouse ..................................................... 23
9 Penggunaan alat pada greenhouse ................................................................. 29
10 Diagram alir proses optimasi algoritma genetik ............................................ 30
11 Perubahan radiasi matahari harian selama pengukuran ................................. 31
12 Radiasi total harian selama pengukuran ........................................................ 32
13 Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse yang
berorientasi Utara-Selatan pada tanggal 29 Maret 2007 ............................... 32
14 Radiasi matahari yang sampai ke dalam greenhouse dari bahan penutup
polycarbonate ............................................................................................... 34
15 Transmisi radiasi matahari yang melalui polycarbonate sesuai dengan
sudut datang radiasi matahari ........................................................................ 34
16 Kecepatan angin di sekitar greenhouse ......................................................... 36
17 Suhu udara di luar dan di dalam greenhouse................................................. 37
18 Kelembaban udara di sekitar greenhouse ...................................................... 37
19 Suhu udara greenhouse hasil simulasi dan hasil pengukuran tanggal
29 Maret 2007................................................................................................ 41
20 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran
tanggal 30 Maret 2007 ................................................................................... 41
21 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran
tanggal 1 April 2007 ..................................................................................... 42

vi

22 Suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran
tanggal 2 April 2007 ...................................................................................... 42
23 Hubungan linier antara suhu udara hasil simulasi dengan hasil pengukuran 43
24 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m2 ............................... 46
25 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 340 W/m2 ........................................ 46
26 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 0 m/s, radiasi 340 W/m2 ..................................................................... 47
27 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m2 ............................ 47
28 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m2 ..................................... 48
29 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 1.1 m/s, radiasi 340 W/m2................................................................... 48
30 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m2 ............................ 49
31 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m2 ..................................... 49
32 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 2.4 m/s, radiasi 340 W/m2 ................................................................. 50
33 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m2 ............................ 50
34 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m2 ..................................... 51
35 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m2................................................................... 51
36 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 531 W/m2 ............................... 52
37 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 0 m/s, radiasi 531 W/m2 ........................................ 52
38 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan

vii

angin 0 m/s, radiasi 531 W/m2 ..................................................................... 53
39 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m2 ............................ 53
40 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m2 ..................................... 54
41 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 1.1 m/s, radiasi 531 W/m2................................................................... 54
42 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m2 ............................. 55
43 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m2 ..................................... 55
44 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 2.4 m/s, radiasi 531 W/m2................................................................... 56
45 Grafik perubahan suhu udara dalam greenhouse selama proses optimasi
pada kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m2 ............................ 56
46 Grafik perubahan nilai optimum sudut atap selama proses optimasi pada
kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, radiasi 340 W/m2 ..................................... 57
47 Grafik perubahan fitness selama proses optimasi pada kondisi kecepatan
angin 3.5 m/s, radiasi 531 W/m2................................................................... 57
48 Greenhouse hasil optimasi AG ...................................................................... 61

viii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

1 Diagram alir program untuk memprediksi suhu udara dalam greenhouse ..

76

2 Analisis harga satuan pekerjaan greenhouse................................................

77

3 Hasil pengukuran kondisi cuaca sekitar greenhouse ...................................

78

4 Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 0 m/s, 340 W/m2 ..

80

5 Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 0 m/s, 340 W/m2 .

81

6 Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 0 m/s
340 W/m2 .....................................................................................................

82

2

83

2

84

7 Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, 340 W/m

8 Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, 340 W/m

9 Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s
340 W/m2 .....................................................................................................

85

10 Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, 340 W/m2 86
11 Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 2.4 m/s, 340 W/m2 87
12 Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 2.4 m/s
340 W/m2 ....................................................................................................

88
2

13 Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, 340 W/m

89

2

14 Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, 340 W/m 90
15 Perubahan fitness selama proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s
340 W/m2 ....................................................................................................

91

16 Program untuk memperediksi suhu udara dalam greenhouse dan biaya ....

92

17 Perhitungan Biaya Greenhouse ................................................................... 106

ix

DAFTAR SIMBOL

AH

Tinggi rata-rata greenhouse, m

Absc1

Absorptivitas penutup greenhouse terhadap gelombang pendek, %

Absc2

Absorptivitas penutup greenhouse terhadap gelombang panjang, %

Abss

Absorptivitas lantai, %

Ca

Panas jenis udara volumetrik, kJ/m3oC

Cc

Panas jenis volumetrik van penutup, kJ/m3oC

Cf

Panas jenis volumetrik lantai, kJ/m3oC

dT/dt

Perubahan suhu tiap satuan waktu, oC/s

EP

Tinggi greenhouse, m

EQT

Equation of Time

Fiv

Fluk volume pertukaran udara, m3/s

h

Sudut jam matahari, o

hf

Koefisien pindah panas konveksi dari permukaan lantai ke udara
dalam, W/oC

hi

Koefisien pindah panas konveksi dari penutup bagian dalam ke
udara dalam, W/oC

hv

Koefisien pindah panas konveksi karena pengaruh ventilasi, W/oC

hw

Koefisien pindah panas konveksi di penutup bagian luar karena
pengaruh angin, W/oC

K

Kosinus sudut datang radiasi matahari

Ks

Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse
yang menghadap ke selatan

Ku

Kosinus sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse
yang menghadap ke utara

Kstd

Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk penutup standar peak
greenhouse

ks

Kondukstivitas panas tanah, W/mK

L

Panjang greenhouse, m

LAT

Latitude atau garis lintang, oLS

LGT

Longitude atau garis bujur, oBT

x

n

Julian day

N

Jumlah data pengukuran

Qoi

Data pengukuran ke-

Qci

Data hasil simulasi ke-

RAD

Radiasi matahari pada bidang horizontal, W/m2

RH

Kelembaban udara sekitar greenhouse, %

RP

Tinggi greenhouse di tengah, m

SBC

Konstanta Stefan Boltzman, 5.67E-8 W/m2K

SW

Lebar span, m

r

Rasio luas atap terhadap lantai

TBL

Suhu udara tanah di bawah lapisa tanah yang dianggap konstan, oC

Tc

Suhu udara penutup greenhouse, oC

Tf

Suhu udara permukaan lantai, oC

Tin

Suhu udara dalam greenhouse, oC

Tout

Suhu udara sekitar greenhouse, oC

Tsky

Suhu langit, oC

W

Lebar greenhouse, m

zo

Ketebalan lapisan tanah yang mewakili suhu udara permukaan
tanah, m

z1

Ketebalan lapisan tanah yang mewakili lapisan pertama, m

α

Altitude atau ketinggian matahari, o

β

Sudut kemiringan permukaan terhadap horizontal, o

θ

Sudut deklinasi matahari, o

θz

Sudut zenit matahari, o

φ

Latitude, o

ω

Sudut jam matahari, o

xi

PENDAHULUAN

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

berpengaruh terhadap kondisi iklim pertumbuhan tanaman (Wang dan Boulard,
2000; Toor et al., 2006).
Bentuk greenhouse yang ideal untuk memaksimumkan transmisivitas
radiasi matahari adalah rounded, tetapi bentuk ini memiliki kekurangan dalam
ukuran dan penanaman. Alternatif bentuk konvensional dapat dipilih dengan
kemiringan atap 25o sampai 35o, kemiringan tersebut lebih efesien dalam
menstransmisikan radiasi matahari (Walls, 1993). Bentuk greenhouse di negara
tropis dengan bukaan atap lebih cocok, karena di daerah tropis penerimaan sinar
matahari relatif lebih banyak, sehingga bentuk ruang harus memungkinkan
sirkulasi udara lebih lancar (Widyastuti, 1993).
Menurut penelitian terdahulu, suhu udara di dalam greenhouse pada saat
radiasi matahari tinggi dapat mencapai nilai 43oC (Widyarti et al., 2004).
Alternatif metode untuk mencegah terlalu tingginya suhu udara di dalam
greenhouse berdasarkan analisis laju ventilasi alami sudah dilakukan, tetapi
berdasarkan pengaruh sudut kemiringan atap belum dikaji.
Pendugaan

suhu

udara

di dalam greenhouse

diperlukan

dalam

perancangan greenhouse. Pendugaan dengan menggunakan simulasi berdasarkan
persamaan pindah panas dengan mempertimbangkan sudut datang radiasi
matahari pada penutup greenhouse dan kemiringan sudut atap greenhouse
diharapkan dapat memberikan hasil yang baik. Oleh karena itu perlu dilakukan
penelitian hubungan antara kemiringan atap dan tinggi dinding dengan suhu udara
di dalam greenhouse.
Penelitian pendugaan suhu udara di dalam greenhouse dengan
menggunakan prinsip pindah panas telah dilakukan oleh Takakura et al. (1971),
Avissar et al.(1982), Romdhonah (2002), dan Nuryawati (2006), tetapi belum
diperoleh hubungan sudut kemiringan atap dan tinggi dinding yang optimum
untuk suhu udara di dalam greenhouse. Permasalahan tersebut dapat diatasi
dengan menggunakan metode algoritma genetik (AG).
AG adalah metode optimasi menggunakan prinsip ilmu genetik dari teori
Darwin untuk mendapatkan tujuan tertentu (Holland, 1975). Ide dasarnya adalah
organisme yang berevolusi dari generasi ke generasi untuk beradaptasi dengan
lingkungannya.

2

Tujuan Penelitian dan Manfaat Penelitian

Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh sudut atap dan tinggi dinding greenhouse terhadap suhu
udara di dalam greenhouse tipe standar peak dengan prinsip pindah panas.
2. Mengetahui modifikasi yang paling baik dari hubungan sudut atap dan tinggi
dinding greenhouse tipe standar peak dengan optimasi menggunakan
Algoritma Genetik (AG).
3. Mengetahui biaya greenhouse yang diperlukan dari hasil optimasi Algoritma
Genetik (AG).

Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat membantu desain greenhouse di daerah
tropika dalam rangka pengendalian suhu udara di dalam greenhouse akibat
intensitas radiasi matahari yang tinggi melalui variabel parancangan bangunan
sudut atap dan tinggi dinding greenhouse.

3

TINJAUAN PUSTAKA

Greenhouse Sebagai Lingkungan Tumbuh Tanaman
Faktor

lingkungan

berperan

penting

untuk

pertumbuhan

dan

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

4

Suhu Udara dalam Greenhouse
Energi matahari yang masuk ke dalam greenhouse secara radiasi
dipantulkan dari berbagai permukaan. Energi ini diserap tanaman, lantai dan lainlain. Energi tersebut kemudian diubah menjadi panas. Kelebihan energi
dihamburkan sebagai panas laten transpirasi, memanaskan udara dalam
greenhouse secara konduksi dan konveksi atau dipancarkan sebagai radiasi
gelombang panjang. Energi yang dipancarkan sebagai radiasi gelombang panjang
ini terperangkap dalam greenhouse dan memanaskan udara di dalamnya sehingga
suhu udara akan naik (Businger, 1963; Bot, 1993; Takakura, 1991). Menurut
penelitian terdahulu, suhu udara di dalam greenhouse pada saat radiasi matahari
tinggi dapat mencapai nilai 43oC (Widyarti et al., 2004).
Faktor yang mempengaruhi besarnya suhu udara dalam greenhouse adalah
tingkat intensitas radiasi matahari, besar kecilnya perubahan panas akibat
transpirasi tanaman, besar kecilnya panas yang hilang melalui atap atau dinding,
besar kecilnya panas yang diserap tanaman untuk proses fotosintesis dan besar
kecilnya panas yang hilang melalui ventilasi serta bahan konstruksi (Walker,
1965).
Hanan et al. (1978) menyatakan, bahwa garis lintang merupakan faktor
utama yang mempengaruhi suhu udara di dalam greenhouse. Faktor lain adalah
altitude atau ketinggian matahari, kondisi topografi yang mempengaruhi
pergerakan angin dan panjang hari.

Radiasi Matahari dan Geometri Matahari
Radiasi matahari merupakan faktor penting pada lingkungan greenhouse.
Radiasi matahari berpengaruh terhadap kondisi iklim pertumbuhan tanaman
dalam greenhouse (Wang dan Boulard, 2000; Hammer et al., 1945; McCollum,
1954; Toor et al., 2006).
Radiasi matahari yang mengenai permukaan benda terdiri dari radiasi
langsung, radiasi sebaran (sky radiation) dan radiasi pantulan. Radiasi langsung
adalah radiasi matahari yang langsung mengenai permukaan benda tanpa
mengalami pemantulan atmosfer. Radiasi sebaran adalah radiasi yang sudah
dipencarkan oleh molekul-molekul gas, debu dan uap air di atmosfer, sedangkan

5

radiasi pantulan adalah radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan
dengan benda tersebut (Jansen, 1995; Kreith, 1986; Tiwari dan Goyal, 1998).
Radiasi matahari ditransmisikan (transmisivitas), dipantulkan (reflectance)
atau

diserap

(absorptivitas)

oleh

atmosfer

dan

penutup

greenhouse.

Transmisivitas dan reflektivitas merupakan bagian yang penting, karena
dipengaruhi sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse, sedangkan
absorptivitas hampir konstan untuk semua sudut datang radiasi matahari dari 0

o

sampai 90o (Takakura, 1989). Radiasi matahari yang ditransmisikan dibutuhkan
untuk pertumbuhan tanaman, tetapi aktualnya hanya sekitar 1-5% yang sampai ke
tanaman. Kemampuan pindah panas penutup greenhouse diperlukan dalam desain
greenhouse (Giacomelli dan Roberts, 1993).
Radiasi matahari diterima oleh permukaan penutup greenhouse, baik yang
tembus cahaya maupun yang tidak (opaque). Permukaan yang tembus cahaya
akan memberikan perolehan panas yang lebih besar (Soegijanto, 1998). Energi
matahari yang ditransmisikan melalui bahan penutup greenhouse digunakan untuk
proses fotosistesis tanaman (Giacomelli dan Roberts, 1993). Kemampuan bahan
penutup greenhouse meneruskan radiasi gelombang panjang yang diperlukan
tanaman sangat penting.
Photosynthetically active radiation (PAR) meningkat 42.9% dari energi
total pada permukaan tanah bergantung pada kondisi atmosfir (Ting dan
Giacomelli, 1987). Tabel 1 memperlihatkan distribusi energi radiasi matahari pada
beberapa jenis bahan penutup greenhouse.

Tabel 1 Prosentase distribusi energi radiasi matahari di atmosfer dan permukaan
bumi
Panjang Gelombang

Atmosfer

Permukaan Bumi

UV (390-400nm)

8.6

6.4

PAR (400-700nm)

38.2

42.9

FR (700-850nm)

16.5

15.2

IR (850-2800nm)

33.9

34.2

Thermal(>2800nm)

2.7

1.3

(sumber: Duffie dan Beckman, 1980; Thimijan dan Heins, 1983)

6

Jumlah radiasi matahari pada suatu titik tertentu adalah radiasi matahari
global atau total. Kondisi tersebut dipengaruhi oleh kondisi langit (berawan atau
tidak) (Soegijanto, 1998) , waktu dalam satu tahun, latitude dan geometri matahari
(Tian et al., 2001), arah orientasi bangunan (Wang dan Boulard, 2000).
Radiasi matahari mempunyai ciri khas, yaitu selalu berubah-ubah menurut
keadaan atmosfer dan geometri radiasi matahari.Geometri matahari berhubungan
dengan deklinasi matahari (δ), sudut jam matahari (ω), sudut zenit matahari (θz)
dan altitude atau ketinggian matahari (α).
Posisi matahari yang bervariasi dalam satu tahun diperlukan untuk
menghitung intensitas radiasi matahari yang diterima sebuah permukaan (Tiwari
et al., 1998). Latitude lokasi sebuah greenhouse dalam satu tahun berpengaruh
terhadap sudut radiasi matahari pada permukaan bumi. Semakin selatan latitude
maka semakin tinggi matahari di atas horison dalam pertengahan musim dingin
(Businger, 1963).
Geometri berhubungan dengan bidang orientasi tertentu ke bumi pada
suatu waktu (bidang yang bergerak maupun yang tidak bergerak relatif terhadap
bumi) dan masuknya radiasi matahari, yaitu posisi matahari relatif terhadap
bidang (Duffie et al., 1980).

Ventilasi
Gerakan angin dapat dilihat sebagai vektor yang memiliki besaran dan
arah. Secara mikro, angin penting dalam proses pertukaran udara, oksigen dan
karbondioksida. Angin dapat dibatasi sebagai gerakan horisontal udara relatif
terhadap permukaan bumi. Batasan ini berasumsi bahwa seluruh gerakan udara
secara vertikal kecepatannya dapat diabaikan karena relatif rendah (< 1 m/s),
akibat diredam oleh gaya gravitasi bumi (Handoko, 1995). Arah angin dibatasi
sebagai arah asalangin bertiup. Kecepatan pergerakan horizontal jauh lebih besar
dan mempengaruhi proses-proses cuaca.
Ventilasi alami adalah pertukaran udara di statu bangunan tanpa
menggunakan kipas atau peralatan mekanik lainnya (Lindley dan Whitaker,
1996). Pada siang hari, di daerah beriklim tropis lembab, seperti Indonesia laju
aliran udara tidak mampu memenuhi kenyaman termal karena banyaknya panas

7

yang harus dipindahkan ke luar ruangan terlalu besar (soegijanto, 1998).
Pertukaran udara di dalam greenhouse dengan udara di luar greenhouse
diperlukan untuk menurunkan suhu udara, mengurangi kelembaban, dan menjaga
tersedianya CO2 yang sangat penting bagi tanaman. Greenhouse yang
menggunakan ventilasi alami pada sisi greenhouse dan atap sangat tergantung
pada faktor termal dan angin agar terjadi sirkulasi udara pada bangunan tersebut
(Boulard et al., 1997).
Kozai dan Sase (1978) menyatakan bahwa ketika kecepatan angin kurang
dari 2 m/s, maka jumlah pergantian udara tergantung pada perbedaan suhu uadara
di dalam dan diluar bangunan. Apabila kecepatan angin lebih besar dari 2 m/s,
maka jumlah pergantian udara tergantung pada jumlah span.
Efek termal timbul karena perbedaan suhu udara di dalam dan di luar
greenhouse. Gelombang panjang yang terperangkap di dalam greenhouse akan
meningkatkan suhu udara dan menurunkan kerapatan di dalam greenhouse.
Perbedaan kerapatan menyebabkan perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar
greenhouse, sehingga akan terjadi aliran udara keluar masuk greenhouse melalui
bukaan (Brockett dan Albright, 1998; Randall dan Boon, 1997).
Semakin besar kecepatan angin, maka laju ventilasi akan semakin besar.
Jumlah pergantian udara tersebut tergantung pada sisi-sisi ventilasi, letak
ventilasi, besar bukaan ventilasi, dan jumlah span. Ventilasi alami dapat dicapai
dengan pertukaran udara melalui bukaan greenhouse yang terjadi karena
perbedaan tekanan di dalam dan di luar greenhouse. Optimasi sistem ventilasi
alami memerlukan pengetahuan mengenai hubungan laju dan pola aliran udara
pada berbagai kondisi cuaca dan karaketristik struktur greenhouse.

Simulasi Suhu Udara dalam Greenhouse
Model simulasi untuk memprediksi iklim mikro dalam greenhouse telah
dilakukan. Batas kondisi utama yang umum ádalah data klimatologi berupa suhu
udara, kelembaban udara (RH), kecepatan angin, radiasi matahari serta sifat
termal dan optik dari elemen-elemen greenhouse (Avissar et al., 1982). Takakura
(1971) mengembangkan model simulasi untuk memprediksi suhu udara dalam
greenhouse menggunakan prinsip pindah panas yang dibagi menjadi empat

8

elemen yaitu lapisan penutup, udara dalam, kanopi tanaman dan lapisan tanah
menggunakan 25 persamaan differensial yang rumit. Model ini melibatkan sudut
datang radiasi matahari pada kesetimbangan panas di penutup greenhouse.
Pengendalian suhu udara di dalam greenhouse juga telah dilakukan oleh
Nishina et al., (2005) dengan menggunakan sistem identifikasi. Modifikasi
lingkungan dalam greenhouse untuk pertumbuhan tanaman oleh Boulard et al.,
(2005); Rostov et al., (2002) ; Nielsen dan Madsen, (2005); Straten (2005);
Young dan Lees (2005).
Fiendy (2005) melakukan analisis modifikasi disain greenhouse stándar
peak untuk mengetahui laju aliran udara di dalam greenhouse sebagai upaya
pengendalian alami bangunan. Teknik visual dan kuantifikasi laju aliran udara
melalui ventilasi alami juga telah dikembangkan oleh peneliti terdahulu (Wang et
al., 1999; Boulard et al., 2000; Teitel et al., 2005).
Rhomdonah (2002), mengembangkan model simulasi untuk memprediksi
suhu dalam greenhouse dengan menggunakan prinsip pindah panas dan sudut
datang radiasi matahari, kemudian dikembangkan dengan jaringan syaraf tiruan
(ANN) (Nuriyawati, 2006). Model persamaan pindah panas dibagi menjadi tiga
elemen, yaitu lapisan atap, udara dalam greenhouse, permukaan lantai dan lapisan
tanah.

Algoritma Genetik
Salah satu teknik optimasi yang banyak digunakan akhir-akhir ini adalah
algoritma genetik (AG). Penggunaannya dalam kontrol greenhouse dilakukan oleh
Ursem et al. (2002), optimisasi penjadwalan air irigasi oleh Nixon et al., (2001),
optimisasi tata guna lahan oleh Matthews (2001), penjadwalan pemasokan larutan
nutrisi pada sistem aeroponik tanaman kangkung Zulaedah (2005), perencanaan
golongan pemberian air Soehadi et al., (2006).
AG menggunakan analog alami, yaitu adaptasi evolusi biologis, individuindividu terbaik dalam suatu populasi akan mengalami persilangan dan mutasi,
individu yang lebih baik dapat bertahan, sedangkan yang lemah akan punah.
Populasi terdiri dari individu-individu (kromosom), masing-masing
mempresentasikan penyelesaian yang mungkin untuk suatu permasalahan.

9

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

10

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

11

Populasi awal

Fungsi fitness

Pengurutan dan
seleksi
Rekombinasi

Fungsi fitness

Mutasi
Tidak
Seleksi

Generasi > target generasi

Ya
Selesai

Gambar 1 Tahapan Algoritma Genetik

12

PENDEKATAN TEORITIS

Radiasi Matahari pada Bidang Horisontal
Matahari merupakan sumber energi terbesar. Radiasi matahari yang
sampai permukaan bumi ada yang diserap dan dipantulkan kembali. Dua
komponen radiasi matahari adalah radiasi langsung (direct radiation) dan radiasi
diffuse

(W/m2) (Takakura, 1989). Radiasi matahari langsung adalah radiasi

matahari yang dipancarkan tanpa di baurkan. Radiasi matahari diffuse radiasi
matahari langsung yang dibaurkan (Duffie dan Beckman, 1980).
Ketinggian matahari (α), sudut datang radiasi matahari sesaat pada
permukaan (θ) dan azimut matahari (ψ) mempengaruhi besar sudut datang radiasi
matahari (Esmay et al., 1986). Gambar 2 memperlihatkan sudut datang radiasi
matahari pada permukaan horisontal.

Gambar 2 Sudut datang radiasi matahari pada permukaan horizontal (Lunde,
1980)

Sudut datang radiasi matahari (θ) pada permukaan penutup greenhouse
bergantung arah orientasi atap dan altitude matahari (Esmay et al., 1986; Duffie
dan Beckman, 1980). Altitude matahari (α) di suatu tempat pada latitude (φ) dapat
diketahui dengan persamaan:

sin α = cos φ cos δ cos h + sin φ sin δ

.............................................(1)

13

δ merupakan deklinasi matahari dalam derajat dan ω merupakan sudut jam
matahari. Deklinasi matahari adalah sudut yang dibentuk oleh matahari dengan
bidang equator yang setiap saat dapat diperkirakan (Jansen, 1995; Duffie dan
Beckman, 1980; Esmay et al., 1986). Deklinasi surya diduga dengan persamaan
berikut (Cooper, 1969):
⎛
⎝

δ = 23.45 sin ⎜ 360

284+ n ⎞
⎟
365 ⎠

...................................(2)

Sudut jam matahari besarnya 15o per jam, negatif pada pagi hari, sama dengan nol
pada siang hari dan positif pada sore hari. n merupakan hari dari tahun yang
bersangkutan (Julian Day). Sudut jam matahari wilayah Indonesia bagian barat
dengan lokasi pada longitude adalah:
⎤
⎡
⎛ LGT − 105 ⎞
h = ⎢(WIB − 12 ) + ⎜
⎟ + EQT ⎥ x15 ......................................(3)
15
⎝
⎠
⎦
⎣

EQT merupakan persamaan waktu menurut Caruthers et al. (1990) adalah:

EQT = 5.0323 −100.976 sin (t ) + 595.275 sin (2t ) + 3.6858 sin (3t ) −12.47 sin (4t )
− 430.847 cos(t ) +12.5024 cos(2t ) +18.25 cos(3t )
...................................(4)
dimana t = (279.134+0.985647n)

14

Radiasi Matahari pada Penutup Atap

Gambar 3 Sudut datang radiasi matahari pada atap bangunan berorientasi timurbarat (Esmay et al., 1983)
Gambar 3 memperlihatkan sudut datang radiasi matahari pada kemiringan
atap bangunan berorientasi timur-barat di belahan bumi utara. K adalah cosinus
dari sudut radiasi matahari. Atap yang menghadap utara dengan sudut kemiringan
β terhadap horisontal nilai K dapat dihitung dengan persamaan(Esmay et
al.,1983):

(

K u = cos 90o − β − α

)

....................................(5)

Atap yang menghadap selatan adalah:

(

K s = cos 90o + β − α

)

....................................(6)

Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk penutup greenhouse tipe standard
peak, Ksp adalah:
Ksp = (Ku + Ks)/2

…………………...(7)

15

Sudut datang radiasi matahari pada kemiringan atap bangunan berorientasi
utara-selatan dapat dilihat pada Gambar 4. Nilai K dari atap yang menghadap
timur dan barat dapat diperoleh dengan persamaan berikut (Esmay et al.,1986):
K u = K s = cos(90 − α )cos β

.......................(8)

Gambar 4 Sudut radiasi matahari pada kemiringan atap berorientasi Utara-Selatan
(Esmay et al., 1983)

Pindah Panas dalam Greenhouse

Bangunan greenhouse mendapatkan panas dan kehilangan panas melalui
peristiwa perpindahan panas secara radiasi, konveksi dan konduksi. Skema proses
perpindahan panas pada greenhouse dapat dilihat pada Gambar 5.
Pindah panas diasumsikan terjadi dalam kondisi quasi steady state, yaitu
suhu udara dan sifat fisik udara dianggap tidak mengalami perubahan selama
interval waktu pengukuran, dan nilainya berubah sesaat sebelum bergerak ke
interval waktu berikutnya.

16

Radiasi
gelombang
panjang

Ventilasi alamiah
Radiasi
gelombang
pendek
Reradiasi gelombang
panjang (terperangkap)

Konveksi
Konveksi

Ventilasi alamiah
Evaporasi
Konduksi

Gambar 5 Lingkungan termal greenhouse

Suhu udara penutup greenhouse (Tc), suhu udara dalam greenhouse (Tin),
dan lapisan tanah (Tf dan Tz1) dihiitung dari kondisi batas suh