...

ANALISA LUMINANSI LANGIT DENGAN METODE RASIO AWAN

by user

on
Category: Documents
1

views

Report

Comments

Transcript

ANALISA LUMINANSI LANGIT DENGAN METODE RASIO AWAN
DIMENSI TEKNIK ARSITEKTUR Vol. 28, No. 2, Desember 2000: 142 - 146
ANALISA LUMINANSI LANGIT DENGAN METODE RASIO AWAN
Ramli Rahim
Staf Pengajar Fakultas Teknik Jurusan Arsitektur
Universitas Hasanuddin, Makasar
ABSTRAK
Data luminansi dan radiasi surya merupakan bagian yang sangat menentukan dalam proses perancangan
bangunan. Dalam kenyataannya, banyak arsitek dan ahli bangunan di Indonesia yang masih menggunakan hasil
penelitian yang berdasarkan pada data pengukuran yang diperoleh dari negara lain. Dalam upaya investigasi
ketersediaan data luminansi di daerah tropik yang hingga saat ini sangat terbatas, suatu pengukuran data tentang
luminansi dan radiasi surya telah dilakukan di Makassar.
Rasio awan dikenal sebagai suatu parameter yang cukup praktis dan baik dalam menentukan kondisi langit
nyata. Tulisan ini mengungkapkan analisa dari luminanasi langit dengan metode rasio awan yang diperoleh dari
pengukuran data selama periode Januari hingga Desember 1995.
Kata kunci: luminansi langit, rasio awan, pengukuran data.
ABSTRACT
Daylight and solar radiation data are important parts of building design process. However, many of the
fundamental daylight and solar research studies used by architects and engineers in Indonesia are based upon
data taken in other parts of the world. In order to investigate daylight availability data in low latitude/tropic
area which are extremely lacking at the present stage, a measurement of daylight and solar radiation was done
in Makassar.
Cloud ratio is known as a most practical and convenient parameter to specify the real sky conditions. This
paper describes the analysis of sky luminance by cloud ratio method which are obtained from the data measured
during the period January - December 1995.
Keywords: sky luminance, cloud ratio, data measurement
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
Pengukuran dan pengumpulan data tentang
cuaca dan radiasi surya di Indonesia telah
dimulai sejak pendudukan Belanda hingga saat
ini. Khusus pengukuran data cuaca telah
dilakukan pada sekitar 150 stasiun yang tersebar
di berbagai lokasi dibawah koordinasi Badan
Meteorologi dan Geofisika, Departemen
Perhubungan Republik Indonesia. Pengukuran
data cuaca dilakukan dengan cara yang
sederhana dan singkat, terutama ditujukan untuk
kegiatan pertanian dan penerbangan. Data
pengukuran cuaca meliputi : suhu udara,
kelembaban, arah dan kecepatan angin, curah
hujan, tekanan udara dan lamanya matahari
bersinar. Sementara untuk data radiasi surya,
umumnya terbatas pada pengukuran data radiasi
yang bersifat global.
Penelitian ini mengungkapkan kondisi
luminansi langit dengan metoda nilai rasio awan
berdasarkan hasil pengukuran data luminansi dan
radiasi surya di Makassar pada tahun 1995.
142
Luminansi Langit
Luminansi langit dalam aplikasinya pada
berbagai perhitungan pencahayaan alami dibagi
dalam tiga jenis kondisi langit, yakni : Langit
Mendung (Overcast Sky), Langit Cerah (Clear
Sky) dan Langit Berawan (Intermediate Sky).
Nilai relatif luminansi langit dari masing-masing
kondisi
langit
dapat
dihitung
dengan
menggunakan rumus-rumus berikut:
Langit Mendung (Overcast Sky)
P.Moon dan D.E.Spencer (1942) mengajukan konsep tentang distribusi luminansi langit
untuk kondisi langit mendung sebagai dasar
untuk perancangan pencahayaan alami. Luminansi langit (Lθ) pada suatu sudut tertentu
dengan elevasi di atas horizon (θ) dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut:
Jurusan Teknik Arsitektur, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan - Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/architecture/
ANALISA LUMINANSI LANGIT DENGAN METODE RASIO AWAN (Ramli Rahim)
Lθ/Lz = (1 + k sin θ)/(1 + k)
(1)
dimana k adalah nilai konstan dari refleksi
permukaan tanah dengan nilai 2 untuk
permukaan normal (sekitar 10%) dan nilai 1
untuk permukaan bersalju (refleksi sekitar 80%)
dan Lz adalah luminansi langit pada titik zenit.
CIE (Komisi Luminansi International)
mengadopsi formula dari Moon-Spencer (dengan
k = 2, tanpa k = 1) sebagai standar langit
mendung pada tahun 1955.
Nilai relatif
distribusi luminansi langit untuk kondisi langit
mendung adalah nilai relatif luminansi dari suatu
elemen langit (Lroc ) yang dihitung sebagai rasio
terhadap luminansi zenit dari ketinggian dari
elemen langit (γ) dengan rumus sebagai berikut:
Lroc (γ) = (1+2 sin γ)/3
(2)
Langit Cerah (Clear Sky)
CIE (1965) telah menyetujui kesepakatan
awal internasional tentang nilai rata-rata
distribusi luminansi langit cerah sebagaimana
formula yang diajukan oleh Kittler (1965):
−3α
2
Lθ = Lz(1 – e
)(0.91 + 10 e + 0.45 cos
-3
2
α)/0.274 (0.91 + 10 + 0.45 cos ζ)
(3)
-0.23/sin
dimana :
Lθ = luminansi langit
Lz = luminansi langit di titik zenit
θ = sudut ketinggian di atas horizon
α = jarak antara titik pengamatan dan matahari
ζ = zenith jarak antara zenit dan matahari
Selanjutnya CIE mengadopsi formula dari
Kittler dan menetapkan sebagai Standar Langit
Cerah (CIE Standard Clear Sky) pada tahun 1973
sebagaimana dalam Publikasi CIE No. 22 tahun
1973 tentang nilai relatif distribusi luminansi
langit untuk kondisi langit cerah. Nilai tersebut
adalah nilai luminansi relatif pada suatu elemen
langit (Lrcl) yang dihitung sebagai rasio terhadap
luminansi zenit dari ketinggian matahari (γs),
ketinggian elemen langit (γ) dan jarak antara
matahari dan elemen langit (ζ). Formula tersebut
adalah :
Lrcl(γs,γ,ζ) = f(γ) x f(ζ)/{f(π/2) x f(π/2−γs)} (4)
f(π/2) = 0.27385
Jarak (ζ) dari matahari (γs,αs) ke elemen
langit (γ,α) dapat dihitung dari perbedaan
antara azimut matahari dan azimut dari elemen
langit (|α s-α|) dengan rumus berikut :
cos ζ = sin γs x sin γ + cos γs x cos γ x cos(|αs -α|) (5)
Langit Berawan (Intermediate Sky)
Nilai relatif distribusi luminansi langit
berawan diajukan oleh Nakamura dkk. (1974)
dari suatu pengukuran data yang kontinyu dan
disimpulkan bahwa di beberapa area sekitar
tropis banyak ditemukan kondisi langit antara
langit mendung dan langit cerah dengan nilai
yang berbeda. Nilai tersebut adalah nilai
luminansi relatif pada suatu elemen langit (Lrin)
yang dihitung sebagai rasio terhadap luminansi
zenit dari ketinggian matahari (γs), ketinggian
elemen langit (γ) dan jarak antara matahari dan
elemen langit (ζ). Formula tersebut adalah
sebagai berikut :
Lrin (γs,γ,ζ) = L(γs,γ,ζ) / L(γs,π/2,π/2−γs)
(6)
dimana :
L(γs ,γ,ζ)
a(γs ,γ))
= a(γs ,γ) x exp{b(γs,γ) x ζ}
= 0.43 x [γ + 4.799 + 1.35 x
{sin(3.59 x γ - 0.009) + 2.31 x
sin(2.60 x γs + 0.316)]
b(γs,γ)
= -0.563 x {(γ + 1.059) x (γs 0.008) + 0.812}
L(γs ,π/2,π/2−γs ) = [0.988 x {sin(2.60 x γs +
0.316)+ 2.772}]x exp[1.481 x
(γs + 0.301) x (γs - 1.571)]
Rasio Awan
Rasio awan (Cv, Ce) adalah perbandingan
antara nilai luminansi global (Evg) dan nilai
luminansi diffus (Evd) atau perbandingan antara
nilai radiasi global (Eeg) dan nilai radiasi diffus
(Eed). Dengan nilai rasio awan, frekuensi
terjadinya masing-masing kondisi langit (cerah,
berawan dan mendung) dapat ditetapkan.
Cv = Evg/Evd
(7)
Ce = Eeg/Eed
(8)
dimana :
2
f(ζ)
= 0.91 + 10 x exp(-3 x ζ) + 0.45 x (cos ζ)
f(π/2-γs )= 0.91 + 0.0898 x exp{3 x (π/2−γs )} +
2
0.45 x (sin γs ) ,
f(γ)
= 1 - exp(-0.32 x cosec γ)
Frekuensi Terjadinya Tiga Jenis Kondisi
Langit
Metode estimasi kemungkinan terjadinya tiga
Jurusan Teknik Arsitektur, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan - Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/architecture/
143
DIMENSI TEKNIK ARSITEKTUR Vol. 28, No. 2, Desember 2000: 142 - 146
jenis kondisi langit dikemukakan oleh Nakmura
dkk. (1985) berdasarkan observasi data meteorologi pada 8 stasiun di Jepang sepanjang tahun
1979-1982. Setelah melalui berbagai pengujian
dari berbagai perhitungan matematika disimpulkan bahwa kemungkinan terjadinya langit cerah
0 % bila lama penyinaran matahari 0 % dan
langit mendung 0% bila lama penyinaran
matahari sebesar 100 %.
Frekuensi terjadinya tiga jenis kondisi langit
dapat dihitung dengan rumus-rumus :
Pcl = 5.689/{1.054 - σ m/100} - 5.397
(9)
Pin = 100 - 5.689/{1.054 - σ m/100}- 78.629/
{0.551 + σm/100} + 56.091
(10)
Poc = 78.629/{0.551 + σ m/100} - 50.694
(11)
dimana : P cl (%), P in (%), Poc (%) masingmasing adalah kemungkinan terjadinya langit
cerah, langit berawan dan langit mendung, m
(%) lama penyinaran matahari.
SUMBER DAN PENGUKURAN DATA
Stasiun pengukuran data berlokasi di
Kampus Universitas Hasanuddin, Tamalanrea,
Ujung Pandang (05 04'S, 119 33'E, 17.70 meter
di atas permukaan laut). Semua alat ukur (sensor)
diletakkan pada sebuah papan landasan (80 x 120
cm) di atas sebuah menara (+53.70 meter diatas
permukaan tanah) yang dibangun dan diletakkan
pada plat atap dari Gedung Rektorat Universitas
Hasanuddin. Kedudukan tower beserta sensor
diatur sedemikian rupa sehingga tetap menerima
sinar matahari sepanjang hari.
Data-data tentang cahaya alami dan radiasi
surya yang dapat diukur pada stasiun ini adalah
sebagai berikut :
1. Illuminansi Global (Evg)
2. Illuminansi Difus (Evd)
3. Radiasi Global (Eeg)
4. Radiasi Difus (Eed)
5. Luminansi Zenit (Lvz)
Untuk pengukuran data tersebut, stasiun ini
dilengkapi dengan 2 buah sensor illuminansi
(illuminometer), 2 buah sensor radiasi
(pyranometer) dan 1 buah sensor luminansi
zenith (luminance meter). Khusus untuk
illuminansi difus dan radiasi difus, kedua sensor
dilengkapi dengan lingkaran penangkal sinar
surya (shadow ring) agar sensor tidak mendapat
sinar surya secara langsung sesuai kedudukan
144
lintang dari lokasi pengukuran. Sensor ini dapat
digeser pada arah lintang utara-selatan
disesuaikan dengan posisi dan perputaran surya
setiap hari. Pengukuran data-data dilakukan
secara otomatis melalui sensor setiap menit
selama dua puluh empat jam dan direkam ke
dalam komputer (Epson PC-286LS) setelah
melalui amplifier. Data tiap menit yang direkam
diperlihatkan pada monitor dalam bentuk tabel
dan grafik, setelah dihitung dari nilai rata-rata
tiap 15 detik. Data disimpan dalam floppy disk
3.5"-1.2 MB pada drive A yang memiliki
kapasitas menyimpan data sekitar 12 hari
pengukuran. Data yang direkam pada drive A
secara otomatis akan direkam ke drive B
sekaligus menghapus data yang ada di drive A
pada setiap jam 00:00 dinihari. Drive B memiliki
kapasitas menyimpan data untuk 21 hari
pengkuran.
KENDALI MUTU DAN PENGOLAHAN
DATA
Kendali Mutu
Guna memperoleh hasil pengukuran yang
akurat sebelum data dievaluasi dan diolah,
diperlukan pemeriksaan data melalui suatu tahap
kendali mutu (quality control) sesuai dengan
pedoman dari CIE (International Commisson on
Illuminance). Kendali mutu yang diperlakukan
adalah sebagai berikut :
- 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.
2
E.T.I. = 127.5 klx; E.T.R. = 1367 W/m .
Pengolahan Data
Pengolahan data dilakukan sesuai metode
pengolahan data dari IDMP (International
Daylight Measurement Programme) sebagai
berikut :
1. Rata-rata bulanan, standar deviasi, jumlah
data, maksimum dan minimum, dalam
interval setiap 6 ketinggian matahari (pagi
Jurusan Teknik Arsitektur, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan - Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/architecture/
ANALISA LUMINANSI LANGIT DENGAN METODE RASIO AWAN (Ramli Rahim)
dan sore).
2. Rata-rata bulanan, standar deviasi, jumlah
data, maksimum dan minimum, dalam
interval setiap 30 menit (pagi dan sore).
3. Rata-rata harian dalam interval setiap 30
menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sepanjang tahun 1995 pengukuran berlangsung selama 320 hari pengukuran dengan
jumlah data siang hari (dari saat matahari terbit
hingga terbenam) adalah sebanyak 1.112.945
atau masing-masing sejumlah 222.589 data tiap
macam pengukuran. Setelah diproses melalui
kendali mutu memberikan hasil data terseleksi
dan dapat dianalisa lebih lanjut sebanyak
892.025 data atau sebesar 80,15 % dari data yang
terkumpul. Hasil ini menggambarkan hasil
pengukuran yang cukup baik dan dapat dianggap
mewakili data pengukuran sepanjang tahun 1995,
sebagaimana dalam Tabel 1.
Tabel 2. Hasil Pemisahan Jenis Kondisi Langit
Januari
Februari
Maret
April
Mei
Juni
Juli
Agustus
September
Oktober
Nopember
Desember
Langit
Cerah
2
3
7
13
9
10
11
11
21
10
-
Langit
Berawan
17
8
14
9
22
10
16
16
7
19
18
23
Langit
Mendung
10
10
7
4
2
2
3
6
Jumlah
97
179
44
Bulan
Jumlah
29
21
28
26
31
20
27
29
30
29
21
29
320
Tabel 1. Jumlah Data dan Hasil Proses Kendali
Mutu
Jumlah Data
% Data Evd %
Data
Evg
Januari
18.413 14.940 81.14 14.940 81.14
Februari
13.771
6.594 47.88
6.594 47.88
Maret
18.737 10.773 57.50 10.773 57.50
April
17.322 14.888 85.95 14.888 85.95
Mei
20.669 20.669 100.00 20.669 100.00
Juni
12.726 12.726 100.00 12.726 100.00
Juli
18.315 18.066 98.64 18.066 98.64
Agustus
20.335 16.492 81.10 16.492 81.10
September 21.289 18.013 84.61 18.013 84.61
Oktober
21.322 16.805 78.82 16.805 78.82
Nopember
18.423 10.812 58.69 10.812 58.69
Desember
21.267 17.624 82.87 17.624 82.87
Total
222.589 178.402 80.15 178.402 80.15
Bulan
Gambar 1. Fluktuasi Karakteristik Rasio Awan
(Langit Cerah)
Selanjutnya dalam analisa rasio awan yang
dilakukan dua tahapan, masing-masing Cv dan
Ce terhadap luminansi langit diperoleh hasil
masing-masing: Langit Cerah selama 97 hari (30
%), Langit Berawan selama 179 hari (56 %) dan
Langit Mendung selama 44 hari (14 %). Tabel 2
memperlihatkan hasil pemisahan jenis kondisi
langit. Gambar 1, 2 dan 3 memperlihatkan
contoh karakteristik Cv dan Ce masing-masing
untuk kondisi langit cerah, langit berawan dan
langit mendung.
Gambar 2. Fluktuasi Karakteristik Rasio Awan
Jurusan Teknik Arsitektur, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan - Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/architecture/
145
DIMENSI TEKNIK ARSITEKTUR Vol. 28, No. 2, Desember 2000: 142 - 146
pertanian dan peternakan.
UCAPAN TERIMA KASIH
(Langit Berawan)
Ucapan terima kasih kepada Prof. Dr.
Hiroshi Nakamura (Kochi), Prof. Dr. Yasuko
Koga (Fukuoka), Takenaka Corporation (Tokyo)
dan Eko Instruments Trading Co. Ltd. (Tokyo)
atas supervisi, bantuan peralatan dan kerjasama
penelitian terpadu hingga saat ini.
DAFTAR PUSTAKA
CIE TC-3.07, Guide to Recommended Practice
of Daylight Measurement, Tokyo, Final
Draft, CIE, 1993.
Gambar 3. Fluktuasi Karakteristik Rasio Awan
(Langit Mendung)
Hasil tersebut jika dibandingkan dengan
teori frekuensi terjadinya tiga jenis kondisi langit
jika diambil lama penyinaran di Makassar
sebesar 62,9 %, didapatkan hasil yang relatif
sama sebagaimana masing-masing diperlihatkan
pada Tabel 3.
Tabel 3. Hasil analisa luminansi langit dengan
metode rasio awan dan teori frekuensi
terjadinya tiga kondisi langit
Nilai
Jumlah Rasio
Lama
Luminansi
Hari
Awan Penyinaran
Langit Cerah
97 30 %
8%
Langit Berawan
179 56 %
76 %
Langit Mendung
44 14 %
16 %
Selisih
+22 %
-20 %
- 2%
KESIMPULAN
Perbedaan hasil disebabkan oleh karena
pemisahan dengan metode rasio awan adalah
fluktuasi kondisi langit sepanjang hari,
sedangkan metode frekuensi adalah kumulatif
sepanjang tahun. Dari analisa data tersebut dapat
disimpulkan bahwa metode rasio awan sangat
praktis dalam menentukan frekuensi terjadinya
tiga jenis kondisi langit. Hasil yang diperoleh
merupakan hasil awan yang akan diuji dan
dievaluasi dengan data 1995-1999 (periode 5
tahunan).
Selanjutnya, berbagai data hasil pengukuran
yang dilakukan di Makassar dapat membuka
peluang berbagai penelitian lanjutan dan
pertukaran data di masa mendatang, khususnya
dalam bidang: arsitektur, teknik enersi, fisika,
146
Department of Communication Republic of
Indonesia, Observations made at Jakarta
observatories, Jakarta, Annual Proceeding, Badan Meteorologi dan Geofisika,
1981-1988.
Koga, Y. et.al., Daylight and Solar Radiation
Data in Ujung Pandang, Indonesia,
Bangkok, Proceding of 2nd Lux Pacifica,
1993. pp. C85-C90.
Nakamura, H. et al., Statistical Arrangement of
the Data for IDMP in Japan, EdinburghUK, Proceeding of 7th Lux Europa, Vol.2,
1993. pp.518-53.
National Astronomical Observatory {NAO},
Chronological Scientific Tables (Rika
nenpyo), Tokyo, Maruzen Co. Ltd., 1992.
Rahim, M.R. et al., Daylight Measurement in
Indonesia - Part 1: Outline of the Equipment, Tokyo, Proceedings of Annual
Conference of IEIJ., 1993, pp. 60-61.
Rahim, M.R. , Daylight Availability in Tropic
Area, Fukuoka, Doctor Degree Dissertation, Kyushu University, 1994.
Jurusan Teknik Arsitektur, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan - Universitas Kristen Petra
http://puslit.petra.ac.id/journals/architecture/
Fly UP