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
