PENDEKATAN TEORITIS - Artificial Neural Network (ANN)

F. Artificial Neural Network (ANN)

III. PENDEKATAN TEORITIS

Ketinggian matahari (), sudut datang radiasi matahari sesaat pada permukaan () dan azimuth matahari (z) mempengaruhi besarnya sudut datang radiasi matahari. Gambar 3 menunjukkan sudut datang radiasi matahari pada permukaan horizontal.

Gambar 3. Sudut datang radiasi matahari pada permukaan horizontal (Esmay et al., 1983).

Sudut datang radiasi matahari () pada permukaan penutup

greenhousetergantung pada orientasi atap tersebut dan posisi matahari. Posisi matahari () di suatu tempat pada latitude () dapat diketahui dengan persamaan:

sin= coscoscos h + sinsin ………...……. (13)

dimanamerupakan deklinasi matahari dalam derajat dan h merupakan sudut jam matahari.

Deklinasi matahari merupakan sudut yang dibentuk oleh matahari dengan bidang equator yang pada setiap saat dapat diperkirakan dari persamaan Jansen (1994): A O   N = 90^o- K= cos

13         365 284 360 sin 45 . 23 x x ⁿ  ………...……. (14)

dimana n merupakan hari (Julian Day) dari tahun yang bersangkutan. Sedangkan sudut jam matahari besarnya 15^o per jam, negatif pada pagi hari, sama dengan nol pada siang hari dan positif pada sore hari. Sudut jam matahari untuk wilayah Indonesia bagian Barat dengan lokasi pada longitude LGT adalah:

 

15 15 105 12 ^LGT EQT x WIB h              _    ………...……. (15)

EQT merupakan persamaan waktu yang besarnya 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) ...……...……. (16)

dimana t = (279.134 + 0.985647n).

Gambar 4 menunjukkan sudut datang radiasi matahari pada kemiringan atap bangunan yang berorientasi timur-barat di belahan bumi utara. Dari Gambar 4 dapat dicari nilai K untuk bangunan yang berorientasi timur-barat di belahan bumi selatan dengan membalikkan arah utara menjadi selatan dan arah selatan menjadi utara (Esmay et al., 1983). Untuk atap yang menghadap utara dengan sudut kemiringan  terhadap horizontal nilai K adalah:

Ku= cos (90^o--) ………...……. (17)

Ks= cos (90^o+-) ………...……. (18)

Kosinus sudut datang radiasi matahari untuk penutup standard peak greenhouse, Kstdadalah:

Kstd= (Ku+ Ks) / 2 ………...……. (19)

Gambar 4. Sudut datang radiasi matahari pada kemiringan atap bangunan berorientasi timur-barat (Esmay et al., 1983).

B. MODEL PINDAH PANAS PADAGREENHOUSE

Bangunangreenhouse akan mendapat dan kehilangan panas melalui peristiwa perpindahan panas secara radiasi, konveksi dan konduksi. Skema proses perpindahan panas padagreenhousedapat dilihat pada Gambar 5.

N A O A O    = 90o-- Ks= cos = 90^o+- Ku= cos  

15 Temperatur penutup greenhouse (Tc), temperatur udara dalam

greenhouse (Tin), dan lapisan tanah (Tf atau Tz1) dihitung dari kondisi batas temperatur udara di luar greenhouse (Tout) dan temperatur di bawah lapisan tanah (TBL). Selain itu radiasi matahari dijadikaninputsebagai energi dengan mempertimbangkan sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse. Perpindahan panas yang terjadi antar berbagai lapisan tersebut menurut (Bot, 2001) adalah:

1. Antara penutupgreenhousedengan udara luar

Panas konveksi yang terjadi dari penutup ke udara luar karena pengaruh angin diasumsikan sebagai konveksi paksa, sehingga kecepatan angin di luar greenhouse (WS) sangat berpengaruh dan dijadikan input

setiap jam. Menurut Duffie et al. (1974) koefisien pindah panas konveksi karena pengaruh angin (hw) pada permukaan datar adalah:

hw= 5.7 + 3.8 WS ……...……. (20) ventilasi konduksi tanah radiasi matahari Greenhouse cover konveksi konveksi udara dalam

radiasi gel. panjang

Permukaan lantai

16 Selain pindah panas konveksi, antara penutup dan udara luar terdapat pindah panas radiasi termal dengan langit yang dihitung dengan perkalian antara konstanta Stefan Boltzman (SBC) dengan temperatur absolut penutup dikurangi temperatur absolut langit (Tsky). Persamaan yang digunakan adalah:

Rt= SBC x Absc2x ((Tc+ 273)⁴–Tsky⁴) …..…...……. (21)

Dimana Absc2 adalah absorptivitas bahan penutup terhadap gelombang panjang. Tsky tidak diukur melainkan didekati dengan persamaan berikut (Duffie et al., 1974):

Tsky= 0.0552 x Tout^1.5 ……...……. (22)

Radiasi matahari yang diperhitungkan merupakan radiasi matahari pada permukaan horizontal yang dikalikan dengan sudut datang pada penutup greenhouse (K) dan absorptivitas bahan penutup terhadap radiasi gelombang pendek (Absc1) seperti pada persamaan berikut:

R = RAD x Absc1x K ……...……. (23)

2. Antara penutupgreenhousedengan udara dalamgreenhouse

Pindah panas konveksi yang terjadi tidak hanya karena perbedaan temperatur antara penutup greenhouse dan udara dalam (konveksi bebas) tapi juga akibat pergerakan udara dalam greenhouse karena ventilasi dan sirkulasi udara (konveksi paksa). Menurut Bot (2001), dalam keadaan demikian konveksi paksa menjadi dominan. Persamaan yang dikembangkan oleh Holman (1994) dapat digunakan untuk menghitung hi

padastandard peak greenhouse, yaitu:

17 Selain pindah panas konveksi antara penutup dan udara dalam terdapat pindah panas radiasi termal antara penutup dengan komponen tidak tembus cahaya dalam greenhouse. Pindah panas radiasi termal dihitung dengan perkalian antara konstanta Stefan Boltzman dengan temperatur absolut penutup dan temperatur absolut komponen tidak tembus cahaya tersebut.

3. Antara permukaan lantai dengan udara dalamgreenhouse

Pindah panas yang terjadi adalah pindah panas konveksi dengan koefisien pindah panas (hf) yang besarnya hampir sama dengan hi (Bot, 2001).

4. Antara permukaaan lantai dengan lapisan tanah yang lebih dalam

Pindah panas yang terjadi adalah pindah panas konduksi. Jika tanah dan lantai diasumsikan sebagai satu blok tanah maka yang dihitung adalah rata-rata temperatur tanah. Untuk menghitungnya diperlukan temperatur permukaan lantai (Tf). Untuk kondisi quasi steady state, lapisan tanah dapat dibagi menjadi dua lapisan yaitu lapisan pertama adalah lapisan permukaan tanah (z0 = 0.065 m) dan lapisan kedua adalah lapisan tanah sampai kedalaman tertentu (z1) yang temperaturnya diketahui (TBL).

5. Pertukaran langsung antara udara dalam dan udara luar melalui ventilasi Menurut Bot (2001), koefisien pindah panas karena pengaruh ventilasi (hv) didekati dengan persamaan:

hv= Fivx Ca ……...……. (25)

dimana Fivadalah flux volume pertukaran udara (m³/s) dan Caadalah panas jenis udara.

Sesuai dengan pindah panas yang terjadi antara ketiga elemen dalam sistem dan menganggap bahwa semua elemen adalah homogen secara

18 horizontal dan vertikal, maka persamaan kesetimbangan panas yang terjadi pada setiap elemen per satuan luas adalah sebagai berikut:

 Kesetimbangan pada lapisan penutup

Ccx THc x dTc/dt≈((RAD x Absc1x K) + SBC x Absc2x ((Tc+273)⁴

–Tsky⁴)–hix (Tc–Tin)–hw(Tc–Tout) ….(26)

 Kesetimbangan pada udara dalam

Ca x AH x dTin/dt≈hix (Tc– Tin) + hfx (Tf–Tin) + hvx (Tout–Tin) + absens x Trancx RAD x K ...…(27)

absens merupakan bagian radiasi matahari yang ditransmisikan ke dalam greenhouse dan diserap oleh tanaman kemudian dilepaskan ke udara dalamgreenhouse sebagai panas sensible. Pendapat Bot (2001), besarnya absens diperkirakan 0.33 dan 0.67 sisanya untuk evaporasi tanaman. Nilai absens dipertimbangkan dalam simulasi walau dalam

greenhousetidak terdapat tanaman.

Nilai koefisien konveksi akibat ventilasi (hv) sangat berpengaruh daalam model simulasi. Besarnya hvdipengaruhi oleh kecepatan angin dan temperatur udara di luar greenhouse. Dalam penelitian ini hv

dianggap konstan, karena tidak tersedia data fluks volume pertukaran udara.

 Kesetimbangan pada lantai dan tanah 1. Permukaan lantai

Cfx z0 x dTf/dt≈Abss x RAD x Trancx K– 2 x ksx (Tf–Tz1)/ (z0

+ z1)–hix (Tf–Tin)–SBC x Emsx ((Tf+ 273)⁴

–(Tc+ 273)⁴) .…. (28)

2. Lapisan tanah

Cfx z1x dTz1/dt≈2 x ksx (Tf–Tz1)/ (z0+ z1) + 2 x ksx

C. 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 panas di udara dalam dan pindah panas pada lapisan tanah.

2. Semua elemen homogen secara horizontal dan vertical kecuali lapisan tanah yang dibagi menjadi dua subelemen yang homogen secara horizontal.

3. Kondisi batas adalah temperatur udara luar, kecepatan angin, radiasi matahari dan temperatur tanah dalam greenhouse yang terdalam yang masih diketahui.

4. Koefisien pindah panas konveksi pada permukaan lantai (hf) tidak berubah selama simulasi.

5. Aliran udara dalamgreenhouseseragam dan horizontal.

6. Transmisivitas, absorptivitas dan reflektivitas penutup greenhouse

IV. METODOLOGI PENELITIAN A. TEMPAT DAN WAKTU

Penelitian ini dilakukan di Single-span Greenhouse Kebun Percobaan Cikabayan, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Waktu pelaksanaan penelitian pada bulan April–Juli 2006.

B. BAHAN DAN ALAT 1.Greenhouse

Greenhouse yang digunakan adalah Single-Span Greenhouse tipe

Standar Peak dengan ukuran panjang 20 m, lebar 7.5 m dan tinggi bubungan 7.346 m. Konstruksi greenhouse mengunakan besi, atap mengunakan kaca, dinding dengan kawat kasa dan lantai terbuat dari

paving block.Greenhousedibangun dengan orientasi Utara - Selatan

2. Weather station, Translator dan Komputer

Weather station atau stasiun cuaca yang digunakanan adalah RM YOUNG model 26700. Alat ini terdiri dari sensor kecepatan dan arah angin (anemometer), sensor temperatur dan kelembaban (pshychrometer), sensor tekanan udara (barometer), sensor radiasi matahari (pyranometer), dan sensor curah hujan (typing bucket precip gauge). Temperatur pada satuan ^oC, RH dalam %, kecepatan angin dalam m/s², arah angin dalam ^o, radiasi matahari dalam W/m²dan curah hujan dalam mm/hari.

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

3. Termokopel danHybrid recorder

Termokopel digunakan untuk mengukur temperatur penutup

greenhouse, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan lantai, temperatur pada batas lantai dengan permukaan tanah dan temperatur tanah pada kedalaman 0.165 m dan 0.315 m dari permukaan lantai.

21 Termokopel dihubungkan dengan hybrid recorder tipe HR 2300 untuk menampilkan temperatur yang terukur oleh termokopel.

4. Oil bathdan Termometer standar

Oil bath dan termometer standar digunakan untuk mengkalibrasi termokopel yang digunakan pada pengukuran temperatur. Pengkalibrasian ini bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara temperatur yang terukur oleh termokopel dengan temperatur yang terukur oleh termometer standar.

C. METODE PENELITIAN

1. Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari pada PenutupGreenhouse Analisis sudut datang radiasi matahari pada penutup greenhouse

digunakan untuk mengetahui nilai radiasi matahari langsung yang ditransmisikan oleh penutup greenhouse. Analisis sudut datang radiasi matahari melibatkan sifat geometri radiasi matahari.

2. Penentuan Model Pindah Panas dalamGreenhouse

Persamaan pindah panas digunakan untuk menghitung temperatur penutup greenhouse, temperatur udara dalam greenhouse dan temperatur permukaan tanah. Persamaan pindah panas yang digunakan melibatkan kesetimbangan panas di penutup greenhouse, kesetimbangan panas udara di dalam greenhouse, kesetimbangan panas di permukaan lantai dan lapisan tanah disesuaikan dengan kondisigreenhouse. Model pindah panas

greenhouse dibuat dengan memperhatikan sudut datang radiasi matahari agar perhitungan radiasi matahari yang masuk dalam sistem lebih akurat.

3. Pengambilan Data di Lapang

Parameter yang diukur adalah kondisi cuaca di sekitar greenhouse

berupa kecepatan dan arah angin, temperatur udara, kelembaban udara, tekanan udara, curah hujan dan radiasi sinar matahari.

Radiasi matahari yang diukur adalah radiasi matahari sesaat yang diterima oleh greenhouse, sedangkan untuk mencari nilai radiasi total harian dapat dihitung secara matematis dengan menggunakan metode Simpson (Purcell and Vanberg, 1999):

22 Ih= ^^t



I 4

_

I_gt 2

_

I_gp I_f



3 ¹ ……...……. (30)

dimana Ih = total radiasi harian (Wh/m²)

∆t = 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)

Sedangkan temperatur greenhouse berupa temperatur penutup

Pengambilan data dilakukan selama 2 minggu mulai pukul 06.00 WIB sampai pukul 18.00 WIB dan dicatat tiap 10 menit. Skema lokasi pengukuran dapat dilihat pada Gambar 6.

4. Pembuatan Program

Pembuatan program untuk memprediksi temperatur dalam

greenhouse dibuat dalam bahasa QBASIC. Input program adalah karakteristik elemen-elemen greenhouse dan data cuaca hasil pengukuran di sekitar greenhouse. Output program adalah pendugaan temperatur penutup greenhouse, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan lantai dan temperatur tanah pada kedalaman 31.5 cm. Diagram alir pembuatan program dapat dilihat pada Gambar 7.

5. Validasi Program

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

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

Y = a + bX ……...……. (31)

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

6. Pengembangan JaringanArtificial Neural Network(ANN)

Program ANN yang dikembangkan menggunakan algoritma back propagation dengan memakai bahasa pemrograman Visual basic 6.0. Model ANN yang digunakan terdiri dari tiga layer yaitu input layer,

hidden layerdanoutput layer.

Input layerterdiri dari 6 noda yaitu data kecepatan angin, temperatur udara di sekitar greenhouse, radiasi sinar matahari, temperatur udara dalam greenhouse, temperatur permukaan lantai dan temperatur tanah pada kedalaman 0.315 m. Parameter pada input layer ditentukan berdasarkan anlisis variabel pada persamaan kesetimbangan panas yang terjadi dalamgreenhouse. Variabel yang dipilih adalah variabel dasar yang terdapat pada persamaan kesetimbangan panas dan dilakukan pengukuran dalam penelitian. Laju ventilasi tidak dijadikan input dalam ANN karena dalam persamaan kesetimbangan panas, laju ventilasi bukan merupakan variabel dasar dan hanya berpengaruh terhadap variabel tertentu, dan juga dalam penelitian tidak dilakukan pengukurannya. Output layer berupa pendugaan temperatur udara di dalam greenhouse. Model ANN yang dikembangkan dapat dilihat pada Gambar 8.

Data yang diperoleh dari hasil pengukuran dibagi menjadi dua kelompok yaitu satu set data untuk prosestrainingdan satu set data untuk proses validasi jaringan. Kinerja jaringan ANN dapat dinilai berdasarkan nilai RMSerror(Root Mean Square Error).

24 Gambar 6. Skema titik pengukuran padagreenhouse.

25 Ket: n = 172,173,174,175,177 dan 181

Gambar 7. Diagram alir program Q-Basic untuk memprediksi temperatur dalam

26 Keterangan gambar:

1. Kecepatan angin (m/s²) 2. Radiasi matahari (W/m²)

3. Temperatur penutupgreenhouse(ôC) 4. Temperatur udara di luargreenhouse(ôC) 5. Temperatur permukaan lantai (ôC) 6. Temperatur tanah kedalaman 31.5 cm (ôC) 7. Temperatur udara di dalamgreenhouse(ôC)

Gambar 8. Model ANN yang digunakan untuk pendugaan temperatur dalam

greenhouse. Xi Vij 1 2 3 4 5 6 7

Input Layer Hidden Layer Output Layer

Wjk

Yk Zj

27 Gambar 9. Diagram alir ANNbackpropagationuntuk memprediksi temperatur

V. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam dokumen Analisis Sudut Datang Radiasi Matahari dan Pengembangan Model Pindah Panas pada Greenhouse Menggunakan Artificial Neural Network (Halaman 37-53)