KARAKTERISTIK EFIKASI CAHAYA GLOBAL DAN DIFUS
BERDASARKAN JENIS KONDISI LANGIT DI INDONESIA
Ramli Rahim (1), Lily Pudjiastuti (2), Sri Nastiti Nugrahani Ekasiwi (3),
I Gusti Ngurah Antaryama (3), Baharuddin (1), Rosady Mulyadi (1) (1) Jurusan Arsitektur, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin (2) Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Industri, ITS Surabaya (3) Jurusan Arsitektur, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, ITS Surabaya
Abstrak
Dalam upaya ikut berpartisipasi dalam IDMP dan mengumpulkan data di daerah tropik yang hingga saat ini sangat terbatas, sebuah stasiun pengukuran data iluminansi dan radiasi surya telah didirikan di Makassar dan beroperasi sejak Januari 1995 hingga tahun 2000. Selanjutnya pengukuran data cahaya langsung dan cahaya pantul dilanjutkan kembali mulai April 2010. Penelitian ini mengevaluasi data hasil pengukuran dan menghitung nilai dan karakteristik efikasi cahaya global dan difus berdasarkan fluktuasi harian, bulanan dan tahunan yang diklasifikasikan atas jenis kondisi langit. Nilai dan karakteristik efikasi cahaya diperlukan untuk menetapkan nilai luminansi ataupun radiasi, jika data hasil pengukuran yang tersedia sangat terbatas. Kedua data tersebut merupakan komponen yang sangat diperlukan dalam berbagai perhitungan dan aplikasi penggunaan cahaya sianghari dan pengaruh radiasi pada bangunan. Untuk kemudahan pertukaran data internasional, hasil analisis disajikan sesuai metode pengolahan data internasional (tabel dan grafik bulanan dan tahunan dalam interval waktu 30 menit dan interval ketinggian matahari 6 derajat).
Kata-kunci : Efikasi cahaya, Luminansi dan radiasi surya, Pengukuran data, Perubahan iklim
PENDAHULUAN
Indonesia yang terletak pada garis katulistiwa dengan iklim tropis menerima energi dan cahaya siang hari yang sangat cukup, gratis dan
tersedia sepanjang tahun. Namun
kenyataannya, banyak hasil rancangan
arsitektur (bangunan) yang masih tergantung pada penggunaan listrik pada siang hari
khususnya untuk pencahayaan ruangan.
Bangunan yang gagal menghemat dalam pemakaian energi, akan menjadi mahal secara operasional.
Perbedaan tempat dan perubahan kondisi langit yang terjadi sepanjang tahun memberikan kesulitan untuk menetapkan acuan dalam
berbagai perhitungan dasar penggunaan
pencahayaan alami. Kesulitan tersebut
menyebabkan banyak arsitek dan ahli bangunan di Indonesia mengambil jalan pintas dengan membuat asumsi sendiri atau menggunakan hasil penelitian yang berdasarkan data dan acuan ataupun perangkat lunak komputer dari negara lain yang letak geografis dan kondisinya
berbeda dengan Indonesia. Analisis dengan asumsi yang berbeda-beda atau pemakaian acuan dari negara lain, tentunya akan memberikan hasil yang tidak optimal dan memperkecil upaya pengembangan acuan baru yang lebih sesuai dengan kondisi Indonesia. Nilai manfaat pencahayaan (luminous efficacy)
dapat diperoleh dari perbandingan antara nilai radiasi global dan luminansi global (Eeg/Evg), atau perbandingan antara nilai radiasi difus dan luminansi difus (Eed/Evd), (Koga, 1993). Nilai efikasi cahaya global (Kg) sangat diperlukan apabila data yang tersedia terbatas hanya Radiasi Global (Eeg) atau sebaliknya hanya tersedia Luminansi Global (Evg). Selanjutnya, nilai efikasi cahaya difus (Kd) sangat diperlukan apabila data yang tersedia terbatas hanya Radiasi Difus (Eed) atau sebaliknya hanya tersedia Luminansi Difus (Evd).
Berdasarkan latar belakang dan urgensi penelitian, permasalahan dalam penelitian dapat dirumuskan sebagai berikut:
Bagaimana karakteristik efikasi cahaya global (Kg=Evg/Eeg) untuk masing-masing jenis kondisi langit?
Bagaimana karakteristik efikasi cahaya difus (Kd=Evd/Eed) untuk masing-masing jenis kondisi langit?
METODE PENELITIAN
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Sains dan Teknologi Bangunan, Jurusan Arsitektur Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin. Jenis penelitian adalah eksperimental menggunakan
pengukuran data. Pengukuran dilakukan
sepanjang hari dengan pengambilan data setiap 15 menit. Data diukur dengan Shunsine Sensor
tipe BF3 yang diletakkan pada tiang di atas atap plat beton Jurusan Arsitektur dengan ketinggian 15 meter di atas permukaan tanah. Kedudukan tiang/menara beserta sensor diatur sedemikian rupa sehingga tetap dapat menerima sinar matahari sepanjang hari.
Data hasil pengukuran diteruskan ke Data Logger GP1 yang ditempatkan di Labaroratorium Sains dan Teknologi Bangunan. Data dalam data logger akan ditransfer ke penyimpanan data di komputer setiap mingu yang selanjutnya diolah dengan kontrol baku sesuai Pedoman IDMP.
Pengawasan terhadap kinerja peralatan
dilakukan tiga kali dalam sehari guna menjaga kualitas pengukuran. Kondisi pelaksanaan pengukuran termasuk pengamatan kondisi cuaca dicatat dalam buku harian pengukuran (log book) dan akan menjadi bahan pendukung dalam pelaksanaan pengolahan dan analisa data.
Untuk keperluan pengolahan dan analisa, dilakukan evaluasi awal dimana semua data yang terekam dicetak dalam bentuk tabel harian untuk setiap komponen data pengukuran. Dari tabel tersebut didapatkan durasi pengukuran yang rinci untuk setiap menit, jam dan harian. Obyek penelitian adalah pengolahan dan analisis hasil pengukuran Data tahun 1995-2000 dan 2010 (Total data: 1.390.527) dan 2010 (Total data: 6.971). Koleksi data hasil pengukuran meliputi: Luminansi Global dan Difus (Evg dan Evd), Radiasi Global dan Difus (Eeg dan Eed). Selanjutnya setiap hari pengukuran dilengkapi dengan masing-masing gambar fluktuasi data harian untuk luminansi global (Evg) dan difus (Evd).
Dalam upaya memperoleh hasil pengukuran yang akurat sebelum data dievaluasi dan diolah, diperlukan pemeriksaan data melalui suatu tahapan meliputi: evaluasi awal (quantity
control) dan proses kendali mutu (quality control) sesuai dengan pedoman dari IDMP-CIE. Evaluasi awal meliputi evaluasi pelaksanaan pengukuran untuk mengetahui kuantitas hasil pengukuran, meliputi: jumlah hari pengukuran, pengukuran yang sempurna, pengukuran yang kurang sempurna/gagal dan total data terekam untuk setiap komponen pengukuran. Tahapan selanjutnya adalah proses kendali mutu yang dimaksudkan untuk mengetahui kualitas hasil pengukuran dengan membandingkan nilai antar komponen. Tabel 1 menunjukkan jumlah hari pengukuran, data terekam dan hasil control baku data tahun 1995-2000.
Tahap I (1) 0 < Evg < 1.2 E.T.I.
(2) 0 < Eeg < 1.2 E.T.R.
(3) 0 < Evd < 0.8 E.T.I.
(4) 0 < Eed < 0.8 E.T.R.
Tahap II (1) Evd < Evg + 10%
(2) Eed < Eeg + 10%
dimana E.T.I. and E.T.R. masing-masing adalah extraterrestrial normal iluminansi dan radiasi. E.T.I. = 127.5 klx; E.T.R. = 1367 W/m2.
Tabel 1 Jumlah Hari Pengukuran, Data Terekamdan Hasil Kontrol Baku 1995-2000
Bulan Jumlah
Hari Ukur Jumlah Data Terekam Data Hasil Kontrol Baku (%) Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober Nopember Desember 180 162 182 175 184 164 181 183 172 173 158 162 111.026 113.260 116.145 112.318 118.342 110.876 127.328 129.852 123.466 125.619 107.425 74.870 90.400 100.740 105.507 102.578 118.342 110.876 127.328 129.852 113.425 113.658 96.880 82.637 83.42 88.95 90.84 91.33 100.00 100.00 100.00 100.00 91.87 90.48 90.18 87.11 Total 2.076 1.390.527 1.292.223 92.93 Sumber: Laboratorium Sains dan Teknologi Bangunan, Jurusan Arsitektur Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin
Pengolahan data dilakukan sesuai metode pengolahan data dari IDMP sebagai berikut:
Rata-rata bulanan dan tahunan, standar
deviasi, jumlah data, maksimum dan minimum, dalam interval setiap 6° ketinggian matahari (pagi dan sore).
Rata-rata bulanan/tahunan, standar deviasi, jumlah data, maksimum dan minimum, dalam interval setiap 30 menit (pagi dan sore).
ANALISIS DAN INTERPRETASI
efikasi cahaya merupakan penentuan koefisien perbandingan antara data luminansi dan radiasi. Tujuan utama atau kegunaan efikasi cahaya (K)
adalah untuk mengitung dan memprediksi nilai radiasi (Ee) jika tidak tersedia di suatu tempat dengan menggunakan nilai luminansi yang ada (Ev). Sebaliknya hal tersebut dapat melakukan prediksi/penentuan nilai luminansi (Ev) jika tidak tersedia di suatu tempat berdasarkan nilai radiasi (Ee) yang ada di tempat tersebut. Penentuan nilai koefisien efikasi cahaya (K) dapat dilakukan masing-masing untuk nilai efikasi cahaya global (Kg) dan nilai efikasi cahaya difus (Kd). Nilai efikasi cahaya global (Kg) adalah perbandingan antara luminansi global (Evg) dan radiasi global (Eeg). Selanjutnya nilai efikasi cahaya difus (Kd) adalah perbandingan antara luminansi difus (Evd) dan radiasi difus (Eed).
a. Karakteristik Efikasi Cahaya Global (Kg) Bulanan
Tabel 2 dan gambar 1 memperlihatkan contoh hasil pengolahan nilai dan fluktuasi efikasi cahaya global (Kg) bulan Januari untuk tahun 1995 dalam interval ketinggian matahari 6°. Gambar 2 memperlihatkan contoh hasil pengolahan nilai dan fluktuasi efikasi cahaya global (Kg) bulan Januari untuk tahun 1995 dalam interval waktu 30 menit.
Tabel 2 Rata-rata Bulanan Efikasi Cahaya Global (Kg) Bulan Januari 1995 dalam Interval 6° Ketinggian Matahari
Ketinggian Nilai Standar Jumlah Nilai Nilai Matahari
(°) Rata- rata Deviasi Data Maksi- mum Mini- mum 0 - 6 37 9 223 76 8 6 - 12 49 25 374 72 12 12 - 18 58 28 386 71 21 18 - 24 67 30 453 69 4 24 - 30 75 33 523 78 7 30 - 36 78 45 578 89 5 36 - 42 82 61 623 99 10 42 - 48 87 69 669 90 2 48 - 54 92 74 709 111 4 54 - 60 99 88 756 121 3 60 - 66 113 88 814 131 5 66 - 72 127 99 906 134 1 72 - 78 126 98 940 138 1 78 - 84 84 - 90 90 - 84 84 - 78 78 - 72 128 95 934 140 10 72 - 66 123 90 904 134 3 66 - 60 110 82 812 127 3 60 - 54 106 80 743 122 6 54 - 48 99 77 705 111 2 48 - 42 85 67 668 105 6 42 - 36 82 53 623 99 6 36 - 30 78 46 598 92 14 30 - 24 71 40 563 97 4 24 - 18 68 33 512 99 12 18 - 12 62 23 487 91 10 12 - 6 43 20 367 89 11 6 - 0 32 18 242 57 8
Gambar 1 Fluktuasi Rata-rata Bulanan Efikasi Cahaya Global (Kg)Bulan Januari 1995 dalam Interval 6° Ketinggian Matahari
Gambar 2 Fluktuasi Rata-rata Bulanan Efikasi Cahaya Global (Kg)Bulan Januari 1995 dalam Interval waktu 30 menit
b. Karakteristik Efikasi Cahaya Difus (Kd) Bulanan
Gambar 3 dan tabel 3 memperlihatkan contoh hasil pengolahan nilai dan fluktuasi efikasi cahaya difus (Kd) bulan Januari untuk tahun 1995 dalam interval waktu 30 menit.
Gambar 3 Fluktuasi Rata-rata Bulanan Difus (Kd) Bulan Januari 1995 dalam dalam interval waktu 30 menit
Tabel 3 Rata-rata Bulanan Efikasi Cahaya Difus (Kd) Bulan Januari 1995 dalam dalam interval waktu 30 menit
Waktu Nilai Standar Jumlah Nilai Nilai
Rata-rata Deviasi Data Maksi-mum Mini- mum 05:31-06:00 06:01-06:30 11 9 234 23 2 06:31-07:00 22 21 543 33 6 07:01-07:30 30 24 755 42 12 07:31-08:00 31 26 743 46 4 08:01-08:30 33 27 654 49 9 08:31-09:00 36 32 712 51 11 09:01-09:30 38 36 543 54 16 09:31-10:00 42 40 789 62 2 10:01-10:30 50 48 743 64 6 10:31-11:00 57 52 546 68 12 11:01-11:30 66 54 765 71 2 11:31-12:00 79 62 832 83 6 12:01-12:30 78 72 822 84 12 12:31-13:00 72 69 744 80 4 13:01-13:30 61 58 760 76 9 13:31-14:00 56 53 765 72 11 14:01-14:30 54 48 812 69 16 14:31-15:00 52 42 788 64 2 15:01-15:30 48 39 654 53 6 15:31-16:00 43 41 659 49 12 16:01-16:30 41 39 678 47 4 16:31-17:00 38 36 564 44 9 17:01-17:30 32 27 665 42 11 17:31-18:00 23 19 342 34 2 18:01-18:30
Gambar 4 memperlihatkan contoh hasil pengolahan nilai dan fluktuasi efikasi cahaya difus (Kd) bulan Januari untuk tahun 1995 dalam ketinggian matahari 6°.
Gambar 4 Fluktuasi Rata-rata Bulanan Efikasi Cahaya Difus (Kd)Bulan Januari 1995 dalam Interval 6° Ketinggian Matahari
c. Karakteristik Kumulatif Efikasi Cahaya Global (Kg) Tahunan
Gambar 5 memperlihatkan hasil analisis nilai tahunan efikasi cahaya global pada tahun 1995 – 2000. Nilai tertinggi terjadi pada tahun 1995 dan terendah terjadi pada tahun 1996. Gejala lain yang terlihat adalah terjadinya peningkatan
nilai yang drastis pada saat matahari terbit dan terbenam dengan nilai sekitar 100. Hal ini diduga akibat dari radiasi pantul yang bergabung pada saat posisi matahari mendekati horizon. Selanjutnya pola fluktuasi terjadi peningkatan nilai yang drastis antara jan 11.00 hingga 15.00 rata-rata hingga 140 dengan nilai tertinggi hingga 160 dan terendah sebesar 120. Hal ini diduga disebabkan karena jarak matahari dengan bumi yang dekat serta akumulasi radiasi sejak pagi, yang selanjutnya menurun.
Gambar 5 Fluktuasi Tahunan Efikasi Cahaya Global (Kg) 1995-2000 dalam interval waktu 30 menit
Pada tabel 4 diperlihatkan karakteristik nilai efikasi cahaya global dalam bentuk persamaan polynomial dan faktor korelasi masing-masing untuk tahun 1995-2000 dan karakteristik nilai kumulatif rata-rata.
Tabel 4 Karakteristik nilai efikasi cahaya global dalam bentuk persamaan polynomial dan faktor korelasi masing-masing untuk tahun 1995-2000 dan karakteristik nilai kumulatif rata-rata dalam interval waktu 30 menit Tahun Polynomial R2 1995 y = -0.469x2 + 13.78x + 12.71 0.622 1996 y = -0.408x2 + 12.05x + 12.65 0.608 1997 y = -0.418x2 + 12.80x + 8.100 0.574 1998 y = -0.423x2 + 13.06x + 10.83 0.542 1999 y = -0.449x2 + 13.53x + 12.90 0.585 2000 y = -0.418x2 + 12.55x + 10.63 0.606 Rata-rata y = -0.431x2 + 12.96x + 11.30 0.593
Dengan hasil analisis tersebut, karakteristik nilai kumulatif untuk efikasi cahaya global (Kg) adalah y = -0.431x2 + 12.96x + 11.30 dengan
d. Karakteristik Kumulatif Efikasi Cahaya Difus (Kd) Tahunan
Gambar 6 memperlihatkan hasil analisis nilai tahunan efikasi cahaya difus pada tahun 1995 – 2000. Sebagaimana pada efikasi cahaya global, secara umum nilai tertinggi terjadi pada tahun 1995 dan terendah terjadi pada tahun 1996. Pola fluktuasi yang terlihat adalah terjadinya peningkatan nilai yang konstan pada saat matahari terbit dengan nilai sekitar 40 hingga siang hari mencapai nilai maksimal sebesar 120. Selanjutnya terjadi penurunan nilai hingga angka 60 pada jam 13.31-16.00 dan meningkat drastis hingga angka 140 pada saat menjelang matahari terbenam.
Gambar 6 Fluktuasi Tahunan Efikasi Cahaya Difus (Kd) 1995-2000 dalam interval waktu 30 menit
Pada tabel 5 diperlihatkan karakteristik nilai efikasi cahaya difus dalam bentuk persamaan polynomial dan faktor korelasi masing-masing untuk tahun 1995-2000 dan karakteristik nilai kumulatif rata-rata.
Tabel 5 Karakteristik nilai efikasi cahaya difus dalam bentuk persamaan polynomial dan faktor korelasi masing-masing untuk tahun 1995-2000 dan karakteristik nilai kumulatif rata-rata dalam interval waktu 30 menit Tahun Polynomial R2 1995 y = -0.210x2 + 7.294x + 26.21 0.551 1996 y = -0.156x2 + 5.929x + 25.02 0.496 1997 y = -0.147x2 + 6.201x + 25.95 0.486 1998 y = -0.177x2 + 6.792x + 27.37 0.543 1999 y = -0.153x2 + 6.106x + 30.92 0.521 2000 y = -0.075x2 + 4.301x + 30.67 0.421 Rata-rata y = -0.153x2 + 6.104x + 27.69 0.508
Dengan hasil analisis tersebut, karakteristik nilai kumulatif untuk efikasi cahaya difus (Kd) adalah y = -0.153x2 + 6.104x + 27.69 dengan faktor
korelasi 0.508.
e. Efikasi Cahaya berdasarkan Jenis Kondisi Langit
Dalam kaitannya dengan kondisi langit (cerah, berawan dan mendung), nilai efikasi cahaya global dan nilai efikasi cahaya difus dapat ditentukan berdasarkan nilai luminansi global (Evg) dan radiasi global (Eeg) untuk setiap jenis kondisi langit. Begitu pula dengan nilai efikasi cahaya difus (Kd) dapat ditentukan berdasarkan nilai luminansi difus (Evd) dan radiasi difus (Eed) pada setiap jenis kondisi langit (cerah, berawan dan mendung).
● Efikasi Cahaya Global (Kg) berdasarkan Jenis Kondisi Langit
Berdasarkan nilai Evg dan Eeg yang diklasifikasikan menurut jenis kondisi langit pada tahun 1995-2000 yang diperoleh pada penelitian sebelumnya maka nilai kumulatif efikasi cahaya global (Kg) dapat ditetapkan sebagai hasil analisis sebagai berikut:
Kg-cerah = 130-150
Kg-berawan = 70 - 130 Kg-mendung = 40 – 70
● Efikasi Cahaya Difus (Kd) berdasarkan Jenis Kondisi Langit
Berdasarkan nilai Evd dan Eed yang diklasifikasikan menurut jenis kondisi langit pada tahun 1995-2000 yang diperoleh pada penelitian sebelumnya maka nilai kumulatif efikasi cahaya difus (Kd) dapat ditetapkan sebagai hasil analisis sebagai berikut:
Kd-cerah = 100-120
Kd-berawan = 70 - 100 Kd-mendung = 40 – 70
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari dukungan seri data yang lengkap dalam waktu yang panjang tersebut, penelitian ini menghasilkan analisis efikasi cahayaglobal dan difus berdasarkan fluktuasi harian, bulanan dan tahunan yang diklasifikasikan dalam tiga jenis kondisi langit (cerah, berawan dan mendung). Hasil analisis disajikan dalam bentuk tabel dan grafik bulanan dan tahunan dalam interval waktu 30 menit dan interval ketinggian matahari 6 derajat. Selanjutnya akan menghasilkan nilai kumulatif untuk efikasi cahaya global dan difus:
1. Karakteristik nilai kumulatif untuk efikasi cahaya global (Kg) adalah:
y = -0.431x2 + 12.96x + 11.30 dengan
faktor korelasi 0.593.
2. Karakteristik nilai kumulatif untuk efikasi cahaya difus (Kd) adalah:
y = -0.153x2 + 6.104x + 27.69 dengan
faktor korelasi 0.508.
3. Nilai kumulatif efikasi cahaya global (Kg) berdasarkan kondisi langit adalah:
Kg-cerah= 130-150, Kg-berawan= 70– 130, dan Kg-mendung = 40 - 70
4. Nilai kumulatif efikasi cahaya difus (Kd) berdasarkan kondisi langit adalah: Kd-cerah= 100-120, Kd-berawan= 70 – 100, dan Kd-mendung= 40 - 70
5. Gejala perubahan iklim menunjukkan fluktuasi nilai yang berbeda dengan pola fluktuasi yang sama dari tahun ke tahun. Nilai tertinggi terjadi pada tahun 1995 dan terendah pada tahun 1996. Nilai rata-rata hampir sama terjadi pada tahun 1997, 1998, 1999, dan 2000.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini disponsori oleh Hibah Penelitian EPI-UNET Dana BOPTN 2013 Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat (LPPM), Institut Teknologi Sepuluh Nopember - ITS Surabaya.
DAFTAR PUSTAKA
Baharuddin. Et al. (2010). Daylight Availability in Hong Kong: Classification into Three Sky Conditions, Journal Architectural Science Review, ASRE (ISSN: 0003-8628 (print), 1758-9622 (online) www.earthscan.co.uk/journals/asre). Volume 53, 2010, pp. 396-407
Departemen Pekerjaan Umum. (1993). Standar Tata Cara Perencanaan Teknis Konservasi energi pada Bangunan Gedung (SK SNI T-14- 1993-03). Bandung: Yayasan Lembaga Penelitian Masalah Bangunan.
Koga, Y. et al. (1993). Study on Luminous efficacy; the relation to cloud ratio, Lux Europa 1993, April 1993, pp. 799-803.
Lippsmeier, G. (1994). Bangunan Tropis. Alih bahasa Syahmir Nasution. Erlangga. Jakarta.
Rahim, MR. (1994). Stasiun Pengukuran Data Illuminansi dan Radiasi Matahari di Ujung Pandang, Makalah pada Simposium Nasional Fisika XV 1994, Surabaya, 11-13 Desember 1994.
Rahim, MR. (1995). International Daylight Measurement Programme, Makalah pada Workshop Nasional KPDA, UPT Hujan Buatan-BPPT Jakarta, Maret 1995.
Rahim, R. et.al. (2004). Classification of Daylight and Radiation Data into Three Sky Conditions by Cloud Ratio and Sunshine Duration, Journal Energy and Buildings, Elsevier, Volume 36, 2004 pp. 660-666 Rahim, MR. dkk. (2005). Aplikasi Distribusi Luminansi
Langit dan Tingkat Ketersediaan Luminansi Horizontal dalam Perancangan Pencahayaan Bangunan di Indonesia, RUT X – Kementerian Riset dan Teknologi dan Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (2003-2005).
