ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI PADA ATAP GELOMBANG DAN PENDUGAAN TEMPERATUR UDARA DALAM GREENHOUSE

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI PADA ATAP GELOMBANG DAN PENDUGAAN TEMPERATUR UDARA DALAM GREENHOUSE MENGGUNAKAN PRINSIP PINDAH PANAS DAN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

SKRIPSI Oleh : MURNIWATY F 14103131

2008 DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI PADA ATAP GELOMBANG DAN PENDUGAAN TEMPERATUR UDARA DALAM GREENHOUSE MENGGUNAKAN PRINSIP PINDAH PANAS DAN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor

Oleh:

MURNIWATY F 14103131

2008 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

INSTITUT PERTANIAN BOGOR FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

ANALISIS SUDUT DATANG RADIASI MATAHARI PADA ATAP GELOMBANG DAN PENDUGAAN TEMPERATUR UDARA DALAM GREENHOUSE MENGGUNAKAN PRINSIP PINDAH PANAS DAN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh: MURNIWATY F 14103131 Dilahirkan di Depok pada tanggal 9 Mei 1983 Lulus tanggal: 17 Januari 2008 Menyetujui Bogor,

Januari 2008

Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. Dosen Pembimbing Mengetahui,

Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Ketua Departemen Teknik Pertanian

Murniwaty. F14103131. Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari pada Atap Gelombang dan Pendugaan Temperatur Udara dalam Greenhouse Menggunakan Prinsip Pindah Panas dan Artificial Neural Network. Dibawah bimbingan Herry Suhardiyanto. 2007. RINGKASAN Greenhouse merupakan bangunan dengan struktur yang tertutup oleh bahan transparan yang tembus cahaya sehingga lingkungan di dalamnya dapat dimanfaatkan untuk pertumbuhan tanaman. Radiasi matahari yang sampai ke dalam greenhouse sangat berpengaruh terhadap proses pindah panas dalam greenhouse. Di Indonesia, besarnya radiasi matahari menjadi masalah dalam penggunaan greenhouse, karena dapat meningkatkan temperatur udara dalam greenhouse. Suatu perhitungan yang akurat diperlukan untuk memprediksi jumlah radiasi matahari yang masuk dan diserap oleh struktur greenhouse. Pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse penting untuk dilakukan dalam perancangan greenhouse. Pendugaan dilakukan dengan simulasi persamaan pindah panas dengan memperhatikan sudut datang radiasi matahari pada penututp greenhouse dan bentuk dari bahan penutup itu sendiri. Hal ini diharapkan dapat memberikan hasil yang akurat. Pendugaan juga dapat dilakukan dengan menggunakan Artificial Neural Network (ANN). ANN mampu menstimulasi kemampuan otak manusia untuk belajar dan menunjukkan seberapa besar koneksi antar neuron, sehingga dapat diharapkan hasil yang lebih akurat. Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mempelajari proses pindah panas pada single-span greenhouse dengan atap berbentuk gelombang, mempelajari proporsi radiasi matahari yang diteruskan untuk berbagai posisi greenhouse dengan atap rata dan gelombang, membuat simulasi komputer untuk memprediksi temperatur udara dalam greenhouse berdasarkan data iklim di sekitar greenhouse dengan memperhatikan sudut datang radiasi matahari, melakukan training dengan ANN untuk memprediksi temperatur udara dalam greenhouse berdasarkan data iklim di sekitar greenhouse, serta melakukan validasi hubungan antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi computer dan hasil pendugaan dengan ANN. Penelitian dilakukan pada greenhouse single-span tipe standard peak dengan atap gelombang berbahan polycarbonate di Leuwikopo, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB, dari bulan April sampai Juli 2007. Alat dan bahan yang digunakan adalah greenhouse, weather station, termokopel dan hybrid recorder, serta oil bath dan termokopel standar. Data iklim yang diukur di sekitar greenhouse berupa kecepatan dan arah angin, temperatur udara,, dan radiasi sinar matahari. Sedangkan temperatur greenhouse berupa temperatur penutup greenhouse, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan lantai, temperatur pada batas lantai dan permukaan tanah, dan temperatur pada kedalaman 0.09 m dan 0.13 m dari permukaan lantai. Pengambilan data dilakukan mulai pukul 06.00 WIB sampai pukul 18.00 WIB. Data proporsi radiasi matahari yang diteruskan untuk atap gelombang dan rata didapatkan dengan mengubah berbagai posisi kemiringan greenhouse (0, 30, 60, 90, 120, 150, 180) derajat terhadap arah utara. Sedangkan

nilai sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse berbentuk gelombang didapatkan dengan cara membagi bentuk satu gelombang pada penutup tersebut ke dalam delapan segmen berbentuk rata. Program untuk memprediksi temperatur dalam greenhouse menggunakan model pindah panas dibuat dalam bahasa Visual Basic 6.0. Input program adalah karakteristik elemen-elemen greenhouse dan data iklim hasil pengukuran di sekitar greenhouse. Output program adalah pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse. Sedangkan program ANN yang dikembangkan menggunakan algoritma back propagation dengan bahasa program Delphi. Model ANN yang digunakan terdiri dari tiga layer yaitu input layer, hidden layer, dan output layer. Input layer terdiri dari 6 node, yaitu data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan lantai, dan temperatur tanah kedalaman 0.09 m. Output layer berupa pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse. Validasi dilakukan dengan parameter Standard Error of Prediction (SEP), bias (đ), dan Coefficient of Variation (CV) untuk tiga model yang berbeda berdasarkan jumlah data training dan validasinya. Penggunaan atap rata dan gelombang pada greenhouse menghasilkan nilai transmisivitas radiasi matahari yang berbeda. Transmisivitas bahan penutup atap rata berkisar 0,6 – 0,7 dengan nilai terendah 0,6066 pada posisi kemiringan 90o terhadap arah utara, sedangkan untuk atap gelombang berkisar antara 0,8 – 0,9 dengan nilai terendah 0,8793 pada posisi kemiringan 30o terhadap arah utara. Berdasarkan analisis sudut datang radiasi matahari dengan pembagian segmen pada atap gelombang didapatkan nilai kosinus untuk arah utara (ku) sebesar 0.78223 dan 0.814181, sedangkan untuk arah selatan (ks) sebesar -0,95241 dan 0.03098. Grafik perbedaan antara simulasi model pindah panas dengan pengukuran aktual menunjukkan hasil yang baik, karena terdapat titik dari garis simulasi yang tepat menyentuh maupun mamiliki pola yang sama dengan garis pengukuran actual. Tetapi grafik hasil regresi antara simulasi model pindah panas dengan pengukuran aktual menunjukkan bahwa hasil simulasi tidak cukup akurat, karena walaupun gradiennya mendekati nilai satu, tapi intersepnya menjauhi nilai nol. Hasil keluaran ANN menunjukkan model 3 dengan proporsi jumlah data training 75% dan data validasi 33% dari total data adalah model yang paling baik untuk pendugaan temperatur udara dalam greenhouse, karena memiliki nilai SEP, đ, dan CV yang terkecil dibanding dua model lainnya. Berdasarkan persamaan regresi yang dihasilkan model simulasi pindah panas dan model ANN, terlihat bahwa nilai gradien dan koefisien determinasi pada model ANN lebih mendekati satu, serta nilai koefisien intersep yang lebih mendekati nol dibandingkan dengan model simulasi. Maka dapat dikatakan model ANN lebih akurat untuk pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse dibandingkan dengan model simulasi.

DAFTAR RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Depok, 9 Mei 1983 sebagai anak ketiga dari pasangan M. Djafar Ziza Canany dan Siti Fatimah A. Pasay. Penulis mendapatkan pendidikan dasar selama 6 tahun di SD Tugu Ibu. Pada tahun 1995 penulis meneruskan pendidikan menengah di SLTP Negeri 3 Depok dan tamat pada tahun 1998. Penulis melanjutkan pendidikan tingkat atas selama 3 tahun di SMU Negeri I Depok dan tamat pada tahun 2001. Setelah lulus SMU penulis meneruskan pendidikan di jurusan Fisika fakultas MIPA, Universitas Indonesia selama 2 tahun, kemudian pindah ke Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor melalui jalur SPMB. Selama 4 tahun penulis aktif di beberapa kepanitiaan acara dan aktif dalam English Club HIMATETA pada tahun kepengurusan 2004-2006. Penulis pernah mengikuti Seleksi Mahasiswa Berprestasi tingkat Fakultas Teknologi Pertanian pada tahun 2006. Penulis juga menjadi Asisten Praktikum mata kuliah Motor Bakar, Ilmu Ukur Wilayah, dan Gambar Teknik pada tahun 2007. Penulis telah melaksanakan kegiatan Praktek Lapang di PT. Saung Mirwan, Bogor, Jawa Barat pada tahun 2006 dengan judul “Evaluasi Fungsi Greenhouse pada Budidaya Tanaman Hortikultura di PT. Saung Mirwan, Bogor“. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan tugas akhir skripsi yang berjudul “Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari pada Atap Gelombang dan Pendugaan Temperatur Udara dalam Greenhouse Menggunakan Prinsip Pindah Panas dan Artificial Neural Network”.

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan karunia-Nya lah penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Skripsi ini berjudul “Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari pada Atap Gelombang dan Pendugaan Temperatur Udara dalam Greenhouse Menggunakan Prinsip Pindah Panas dan Artificial Neural Network”. Skripsi ini berisi tentang analisis proses pindah panas pada greenhouse beratap gelombang serta perbedaan transmisivitas atap rata dengan bergelombang untuk berbagai arah terhadap utara, dan pengembangan simulasi model pindah panas untuk memprediksi temperatur dalam greenhouse berdasarkan data iklim di sekitar greenhouse dengan memperhatikan sudut datang radiasi matahari menggunakan program Visual Basic 6.0 dan Artificial Neural Network (ANN). Penulisan skripsi ini tidak akan selesai tanpa bantuan orang-orang yang berharga yang berada di sekitar penulis, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. selaku dosen pembimbing, terima kasih atas bimbingan, arahan, dan perhatiannya. 2. Dr. Leopold O. Nelwan, M.Si. dan Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr selaku dosen penguji atas saran-saran yang diberikan. 3. Ayah, Papi, Mami, Iyai, Ayuk, dan Rama di rumah yang telah memberikan kasih sayang, dukungan, dan doanya kepada penulis. 4. Pak Ahmad, Pak Harto dan Mas Firman atas bantuannya selama penelitian. 5. Oryssa Sathalica atas bantuan dan kebersamaannya selama ini terutama saat penelitian. 6. Mulki Awaliyah dan teman-teman di Fahmeda untuk kebersamaannya selama di IPB 7. Dewi Nurna, Eka, Shinta, Yuni, Rena, Dewi Abon, Gia, Ale, Woko, Bagus, semua yang ada di Shelter Greenhouse, Robot, AE 40, dan semua pihak yang telah membantu terselesaikannya skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk perbaikan dan penyempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi masukan bagi semua pihak yang membutuhkan.

Bogor, Januari 2008

Penulis

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR….………………………………………….……….i DAFTAR ISI................................................................................................. iii DAFTAR TABEL

v

DAFTAR GAMBAR.....................................................................................vi DAFTAR LAMPIRAN

viii

I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang................................................................................ 1 B. Tujuan.............................................................................................. 2 II. TINJAUAN PUSTAKA A. Greenhouse..................................................................................... 3 B. Temperatur...................................................................................... 4 C. Radiasi Matahari............................................................................. 5 D.Pindah Panas dalam Greenhouse..................................................... 5 E. Simulasi Greenhouse....................................................................... 6 F. Artificial Neural Network (ANN)................................................... 7 III. PENDEKATAN TEORITIS A. Sudut Datang Radiasi Matahari...................................................... 11 B. Model Pindah Panas pada Greenhouse............................................11 C. Asumsi............................................................................................. 14 IV. METODOLOGI PENELITIAN A. Tempat dan Waktu.......................................................................... 15 B. Alat dan Bahan................................................................................ 15 C. Metode Penelitian............................................................................ 16 V. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Sudut Datang Radiasi Matahari pada Penutup Greenhouse…….. 24 B. Pengaruh Perbedaan Posisi Greenhouse pada Greenhouse Beratap Rata dengan Bergelombang……………………………………… 26 C. Model Simulasi Pindah Panas dalam Greenhouse……………….. 34 D. Validasi Model Simulasi Pindah Panas………………………….. 38 E. Pengembangan Model Artificial Neural Network (ANN)………... 41

F. Validasi Model Artificial Neural Network………………………...43 VI. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan………………………………………………………. 46 B. Saran……………………………………………………………… 47 DAFTAR PUSTAKA..................................................................................... 48 LAMPIRAN……………………………………………………………….... 50