SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMAS
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
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.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ... v DAFTAR GAMBAR ... vi DAFTAR LAMPIRAN ... xi DAFTAR SIMBOL ... x PENDAHULUAN ... 1 Latar Belakang ... 1 Tujuan Penelitian ... 3 Manfaat Penelitian ... 3 TINJAUAN PUSTAKA ... 4
Greenhouse sebagai Lingkungan Tumbuh Tanaman ... 4 Suhu Udara dalam Greenhouse ... 5 Radiasi Matahari dann Geometri Matahari ... 5 Ventilasi ... 7 Simulasi Suhu Udara dalam Greenhouse ... 8 Algoritma Genetik (AG) ... 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 ... 31 Model Pindah Panas dalam Greenhouse ... 35 Validasi Model ... 42
Optimasi Sudut Atap dan Tinggi Dinding dengan Algoritma
Genetik ... 43 Biaya Greenhouse Hasil Optimasi ... 43 SIMPULAN DAN SARAN ... 66 Simpulan ... 66 Saran ... 66
DAFTAR PUSTAKA ... 68 LAMPIRAN ... 74
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
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
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
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
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 7 Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, 340 W/m2 83 8 Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 1.1 m/s, 340 W/m2 84 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 13 Populasi awal proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, 340 W/m2 89 14 Populasi akhir proses optimasi kondisi kecepatan angin 3.5 m/s, 340 W/m2 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
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
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
r
Lebar span, m
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
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.
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.
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).
Suhu Udara dalam Greenhouse
Energi matahari yang masuk ke dalam greenhouse secara radiasi dipantulkan dari berbagai permukaan. Energi ini diserap tanaman, lantai dan lain- lain. 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
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
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
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