BAHAN DAN METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat
Penelitian dilakukan pada bulan Maret 2007 sampai dengan Mei 2007 di Greenhouse Departemen Teknik Pertanian, Leuwikopo, IPB.
Bahan dan Alat Greenhouse
Greenhouse yang digunakan dalam penelitian bertipe standar peak dengan kemiringan 25o, arah orientasi utara selatan, 106.42 BT, 6.33 LS. Tampak depan dan tampak samping greenhouse tersebut disajikan pada Gambar 6 dan 7. Greenhouse tersebut memiliki panjang 12 m, lebar 4 m, tinggi dinding 2.5 m, tinggi bubungan 3.93 m dan lebar ventilasi atap 0.5 m. Greenhouse menggunakan kayu sebagai tiang utama. Ventilasi dinding berupa kasa dengan ukuran 40 x 38 mesh, sedangkan atapnya menggunakan bahan dari polycarbonate dengan ketebalan 8 mm.
Tampak Depan
Gambar 6 Tampak depan greenhouse existing
21
Tampak Samping Gambar 7 Greenhouse standar peak existing yang digunakan sebagai bahan analisis modifikasi
Alat Ukur Iklim Mikro dan Cuaca Sekitar Greenhouse
Alat yang digunakan dalam penelitian meliputi wether station dan translator merk Young Model 26700 yang terdiri dari sensor kecepatan angin dan arah angin (anemometer), sensor suhu dan kelembaban (pshychrometer), sensor tekanan udara (barometer), sensor radiasi matahari (pyranometer), dan sensor curah hujan (typing bucket precip gauge), Pyranometer Model MS-42 Seri A83182, oil bath, termometer, termokopel dan Hybrid recorder Tipe HR 2300. Termokopel digunakan untuk mengukur suhu udara permukaan atap, suhu udara permukaan lantai, suhu udara batas antara permukaan lantai dan permukaan tanah, serta suhu udara pada kedalaman 0.15 m dan 0.30 m dari permukaan lantai greenhouse. Oil bath dan termometer standar digunakan untuk kalibrasi termokopel yang akan digunakan. Kalibrasi bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara suhu udara yang terukur oleh termokopel dengan suhu udara yang terukur oleh termometer standar.
22
MetodePenelitian
Analisis dan Pengukuran
Pengukuran meliputi kondisi cuaca sekitar greenhouse dan iklim mikro di dalam greenhouse, yaitu meliputi pengukuran radiasi matahari (W/m2), suhu udara di dalam dan suhu luar greenhouse (oC), kecepatan angin (m/s), arah angin (derajat), curah hujan (mm/hari), suhu udara permukaan lantai, suhu udara batas antara permukaan lantai dengan permukaan tanah, dan suhu udara pada lapisan tanah dengan kedalaman 0.15 m dan 0.30 m (oC), serta suhu udara di atap greenhouse. Weather station dipasang di luar greenhouse untuk mengetahui iklim mikro di sekitar greenhouse. Weather station dihubungkan dengan translator merk Young untuk menampilkan hasil pengukuran pada komputer sebagai penyimpan data. Weather station dikalibrasi dengan pyranometer Model MS-42 Seri A83182. Skema titik pengukuran disajikan pada Gambar 8. Penggunaan alat pada greenhouse disajikan pada Gambar 9. Keterangan: 1. Suhu udara atap bagian timur 2. Suhu udara atap bagian barat 3. Suhu udara dalam greenhouse (2.20 m) 4. Suhu udara dalam greenhouse (2.10 m) 5. Suhu udara permukaan lantai 6. Suhu udara pada kedalaman tanah 0.15 m 7. Suhu udara pada kedalaman tanah 0.30 m
1
2 3 4
5 6 7
2m 4m Gambar 8 Titik pengukuran dalam greenhouse
Analisis sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse
Sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse digunakan untuk mengetahui nilai radiasi matahari langsung yang ditransmisikan oleh penutup
23
greenhouse. Analisis sudut datang radiasi matahari melibatkan sifat geometri radiasi matahari dihitung dengan menggunakan persamaan 1 sampai dengan persamaan 8.
Keseimbangan Panas dalam Greenhouse
Persamaan pindah panas digunakan untuk menghitung suhu udara penutup greenhouse, suhu udara dalam greenhouse dan suhu udara permukaan tanah. Persamaan pindah panas melibatkan keseimbangan panas pada penutup greenhouse, keseimbangan panas di permukaan lantai dan lapisan tanah yang disesuaikan dengan kondisi greenhouse. Pindah panas dalam greenhouse mempertimbangkan sudut datang radiasi matahari, sehingga radiasi matahari yang masuk dalam greenhouse lebih akurat. Pindah panas dalam greenhouse dihitung dengan rumus yang disajikan pada persamaan 9 sampai dengan 18.
Radiasi Total Harian
Radiasi matahari yang diukur adalah radiasi matahari sesaat yang diterima oleh greenhouse. Nilai radiasi total harian dihitung secara matematis dengan menggunakan metode simpson (Purcell dan Vanberg, 1999) sebagai berikut: Ιh =
Δt (Ιi + 4ΣI gt + 2ΣI gp + I f ) 3
............................(19)
Keterangan: Ih
= total radiasi harian (Wh/m2)
Δt
=selang pengukuran (jam)
Igt
=radiasi selang pengukuran ganjil (W/m2)
Igp
= radiasi selang pengukuran genap (W/m2)
Ii
= radiasi awal (W/m2)
If
= radiasi akhir (W/m2)
Transmisivitas radiasi matahari diperoleh dari radiasi matahari pada penutup, lantai, dan ruangan greenhouse dari persamaan 12 dan persamaan 18, sebagai berikut :
24
Transmisivitas (%) =
(radiasi x Absc x cosθ ) + ( Abss x radiasi x Tpolicarbonate x cosθ ) radiasi terukur
x100%
Program untuk Memprediksi Suhu Udara dalam Greenhouse
Program simulasi untuk memprediksi suhu udara di dalam greenhouse dibuat dengan bahasa Delphi 5.0 berdasarkan persamaan pindah panas seperti disajikan pada persamaan 1 sampai dengan persamaan 18. Pengukuran dimulai pukul 6.00 sampai dengan pukul 18.00, Hal ini untuk memudahkan menentukan syarat awal. Pada pukul 6.00, suhu udara permukaan dalam dan luar serta suhu udara pada kenyataannya hampir sama, sehingga dapat diambil suatu harga tertentu. Perhitungan untuk menduga suhu udara dalam greenhouse dilakukan dengan metode Runge-Kutta. Metode ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan metode yang lain, seperti Deret Taylor, Euler, dan Heun. Metode RungeKutta tidak membutuhkan perhitungan turunan fungsi. Metode ini juga dapat mencapai derajat ketelitian yang lebih tinggi dengan mengevaluasi titik-titik terpilih dalam setiap langkah, tidak seperti metode Euler, dimana galat setiap langkah semakin menumpuk. Input pendugaan adalah julian day (hari dalam tahun), karakteristik elemen-elemen greenhouse dan data cuaca hasil pengukuran di sekitar greenhouse, longitude, latitude greenhouse. Output program adalah suhu udara di dalam greenhouse. Diagram alir program pendugaan suhu udara dalam greenhouse disajikan pada Lampiran 1. Biaya yang dihitung adalah biaya persiapan, biaya pengerjaan tanah dan pasir, biaya pekerjaan pasangan, biaya pekerjaan dinding, biaya pekerjaan atap dan biaya pekerjaan cat per meter persegi dari greenhouse. Perincian biaya greenhouse disajikan pada Lampiran 2.
Asumsi
Asumsi-asumsi yang digunakan dalam model pindah-panas adalah: 1. Sistem terdiri dari 3 elemen vertikal, yaitu pindah panas yang terjadi di penutup greenhouse, pindah panasdi udara dalam dan pindah panas pada lapisan tanah.
25
2. Koefisien pindah panas konveksi pada permukaan lantai (hf) tidak berubah selama simulasi. 3. Aliran udara dalam greenhouse seragam dan horizontal. 4. Absorptivitas dan reflektivitas penutup greenhouse dianggap tidak berubah dengan perubahan sudut datang matahari. 5. Semua elemen homogen secara horizontal dan vertikal kecuali lapisan tanah yang dibagi menjadi dua subelemen yang homogen secara horizontal. 6. Radiasi difuse (sebaran) diabaikan, sehingga yang diperhitungkan hanya radiasi langsung.
Validasi Program
Validasi program dilakukan dengan membandingkan suhu udara dalam greenhouse hasil simulasi dengan hasil pengukuran di lapangan. Pengujian keabsahan dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu udara hasil simulasi (Y) dan hasil pengukuran (X), a menyatakan intersep atau perpotongan garis regresi dengan sumbu tegak dan b menyatakan kemiringan atau gradien garis regresi.
Y = a + bX …………………………………………...........................(20) Model simulasi dinyatakan memberikan prediksi suhu udara yang semakin baik bila persamaan regresinya memiliki koefisien intersep (a) mendekati nol dan gradiennya mendekati satu. Besarnya error antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi dihitung Average Percentage of Deviation (APD) dengan persamaan sebagai berikut:
100 APD = N
2
⎛ Qoi − Qci ⎞ ⎜⎜ ⎟ ………………………………………(21) ∑ Qoi ⎟⎠ i =1 ⎝ N
Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding Greenhouse
Model AG yang dikembangkan bertujuan meminimalkan suhu udara ratarata dalam greenhouse dari variabel perancangan bangunan, yaitu sudut atap
26
greenhouse. Sehingga dari hasil optimasi dapat diketahui sudut atap dan tinggi dinding greenhouse yang optimum, serta biaya greenhouse. Alternatif tersebut diambil dengan beberapa prinsip, yaitu: secara teknik mungkin diimplementasikan, 2) alternatif rancangan greenhouse baru dibuat sama dengan rancangan modifikasi yang menghasilkan suhu udara rata-rata paling rendah di dalam greenhouse. Diagram alir proses optimasi disajikan pada Gambar 10. Secara umum AG memiliki enam komponen utama yaitu teknik penyandian, inisialisasi populasi, fungsi evaluasi (fitness), seleksi, operator genetik dan penentuan parameter (Kusumadewi dan Purnomo, 2005). Persamaan fungsi tujuan dari model AG adalah:
Tin = F (α , δ , h, K , β , hw , Rt , Tsky , R, hi , h f , hv ) Fungsi tujuan: minimisasi Tin rata-rata Fungsi Batas: 15 ≤ β ≤50 ................................................................................(22) Tujuan minimisasi dalam algoritma genetik pada penelitian ini adalah meminimisasi suhu udara rata-rata dalam greenhouse, dengan fungsi batas sudut atap greenhouse (β), sehingga dari hasil optimasi diketahui sudut atap greenhouse optimum untuk mendapatkan suhu udara minimun rata-rata dalam greenhouse. Berikut komponen-komponen algoritma genetik:
Teknik Penyandian
Solusi sudut atap greenhouse yang optimum disandikan ke dalam suatu kromosom yang terdiri dari gen-gen, dalam penelitian ini digunakan representasi berupa string bit seperti contoh berikut: Sudut atap greenhouse 38.5o : 10101011110
Inisialisasi Populasi
Inisialisasi populasi diawali dengan menentukan ukuran populasi yang akan dilibatkan dalam proses optimasi. Selanjutnya dilakukan inisialisasi kromosom dari individu dalam populasi tersebut secara acak dengan memperhatikan selang nilai yang digunakan.
27
Fungsi Evaluasi (Fitness)
Tujuan yang ingin dicapai adalah minimisasi suhu udara rata-rata dalam greenhouse (Tin) dari model persamaan pindah panas. Nilai radiasi matahari ratarata 340 W/m2 (89 Julian day)dan 531(90 Julian day) W/m2 dipilih mewakili cuaca pada cerah berawan dan cuaca cerah, kecepatan angin 0 dan 1.1 m/s sebagai kondisi angin pada kecepatan rendah, kecepatan angin 2.4 m/s dan 3.5 m/s sebagai kondisi angin pada kecepatan sedang dan tinggi. Waktu optimasi untuk suhu udara rata-rata dalam greenhouse mulai jam 8.00-16.00. Nilai radiasi, kecepatan angin, waktu, dan parameter lingkungan menjadi input algoritma genetik.
Seleksi
Seleksi dapat dilakukan dalam penentuan individu/kromosom dalam populasi yang akan melakukan reproduksi ataupun penentuan individu yang akan bertahan dalam populasi dan individu yang akan punah. Seleksi dimaksudkan untukk
memberikan
kesempatan
reproduksi
yang
lebih
besar
bagi
individu/kromosom yang paling fit. Dalam penenitian ini seluruh individu dalam populasi terlibat dalam reproduksi sehingga seleksi bertujuan untuk memilih individu yang akan bertahan dalam populasi. Metode elitis digunakan dalam penelitian ini. Semua kromosom disusun mulai dari kromosom dengan nilai fitness terbaik sampai kromosom dengan nilai fitness terjelek. Kromosom yang telah disusun ersebut kemudian diambil sejumlah kromosom dengan nilai fitness terbaik dan kromosom-kromosom ini bertindak sebagai populasi selanjutnya.
Operator Genetik
Operator genetik ada dua, yaitu penyilangan (crossover) dan mutasi. Penelitian ini menggunakan operator penyilangan satu titik. Penentuan titik penyilangan dilakukan secara acak, demikian juga penentuan gen yang mengalami mutasi.
28
Penentuan Parameter
Parameter yang dimaksudkan adalah parameter kontrol algoritma genetik, yaitu ukuran populasi, peluang penyilangan (crossover) dan peluang mutasi.
Weather Station
Data iklim sekitar greenhouse ditampilkan dalam komputer dengan translator
Pyranometer
Pengukuran suhu udara dalam greenhouse
Data temperatur dalam greenhouse di tampilkan dan disimpan dalam Hybrid Recorder
Gambar 9 Penggunaan alat pada greenhouse
29
Julian day
Sudut atap Posisi greenhous
M O D E L
Waktu
Suhu udara
Suhu udara permukaan
Suhu udara dalam Suhu udara lapisan tanah yang k t
P I N D A H
Tin greenhouse
Tinggi dinding greenhouse
Panjang greenhouse
Lebar greenhouse
P A N A S
S U D U T O P T I M U M
Biaya greenhouse
Suhu udara pada lapisan 03m
AG (minimisasi nilai Tin rata-rata)
Gambar 10 Diagram alir proses optimasi algoritma genetik
30
