스마트팜 CO₂ 환경제어의 원리: 일사량·환기·농도·공급시간을 함께 봐야 하는 이유

스마트팜에서 CO₂는 단순히 농도를 높게 유지하면 되는 환경요소가 아니다. 식물이 실제로 광합성을 하고 있는지, 일사량이 충분한지, 천창과 측창이 얼마나 열려 있는지, 공급된 CO₂가 실제 작물 군락까지 도달하는지를 함께 확인해야 한다.

시설원예에서 CO₂를 공급하는 목적은 광합성에 필요한 탄소원을 충분히 제공해 작물의 탄소동화를 높이는 것이다. 하지만 온실 내부의 CO₂ 농도만 높인다고 항상 생산량이 증가하는 것은 아니다.

빛이 부족하면 광합성 자체가 제한되고, 천창이 크게 열린 상태에서는 공급한 CO₂가 빠르게 외부로 빠져나갈 수 있다. 또 CO₂ 센서가 공급관 바로 옆에 설치되어 있다면 제어화면에는 높은 농도가 표시되더라도 실제 딸기 잎 주변에서는 훨씬 낮은 농도가 형성될 수 있다.

따라서 스마트팜의 CO₂ 관리는 단순한 농도제어가 아니라 일사량·환기·공기순환·센서 위치·공급시간을 함께 연결하는 복합환경제어로 이해하는 것이 정확하다.

CO₂는 식물이 광합성을 할 때 의미가 있다

딸기를 포함한 대부분의 시설원예 작물은 빛을 이용해 광합성을 하면서 CO₂를 흡수한다.

일출 후 일사량이 증가하고 광합성이 활발해지면 작물은 온실 내부의 CO₂를 계속 소비한다. 환기가 적은 겨울철 아침에는 온실 내부 CO₂ 농도가 외기보다 낮아지는 경우도 발생할 수 있다.

반대로 야간에는 광합성이 거의 이루어지지 않기 때문에 주간과 동일한 방식으로 CO₂를 공급하는 것은 효율적이지 않다.

따라서 스마트팜에서는 단순히 오전 몇 시부터 몇 시까지 CO₂를 공급하는 방식보다 일사량과 환기상태를 동시에 이용하는 제어가 합리적이다.

실제 환경제어에서는 다음 질문을 확인해야 한다.

현재 일사량이 충분한가?

작물이 실제로 광합성하고 있는 시간인가?

천창과 측창은 얼마나 열려 있는가?

CO₂ 공급 후 작물 군락의 농도가 실제로 상승하는가?

공급을 중단하거나 환기하면 농도가 얼마나 빨리 떨어지는가?

이 데이터를 시간별로 확인할 수 있다는 것이 스마트팜의 장점이다.

환기가 시작되면 CO₂ 목표농도도 다시 생각해야 한다

겨울철 아침에는 천창과 측창이 닫혀 있는 시간이 길기 때문에 비교적 적은 CO₂를 공급해도 목표농도를 유지하기 쉽다.

그러나 해가 뜨고 일사량이 증가하면 온실 내부온도가 상승하면서 환기가 시작된다.

이때부터 CO₂ 환경은 달라진다.

천창과 측창을 통해 내부공기가 외부로 빠져나가면서 CO₂도 함께 손실된다. 환기가 많은 상태에서 밀폐상태와 동일한 높은 농도를 계속 유지하려면 CO₂ 소비량이 크게 증가할 수 있다.

일본의 딸기 ‘사가호노카’를 이용한 연구에서는 환기가 없을 때 CO₂를 800μmol/mol 이상, 환기가 있을 때는 400μmol/mol 이상 유지하는 방식으로 자동제어했다.

모든 시간대에 400μmol/mol 이상을 유지한 처리와 비교했을 때 상품과 수량이 약 25% 증가했고, 과실 Brix도 시기에 따라 0.2~1.2% 높게 나타났다.

또한 광합성률은 약 800μmol/mol까지 CO₂ 농도가 증가하면서 상승하는 경향을 보였다.

하지만 이 결과를 모든 딸기농장에서 “CO₂는 무조건 800ppm이 정답”이라고 해석해서는 안 된다.

연구의 핵심은 환기상태에 따라 CO₂ 목표농도를 다르게 설정하는 환경제어 방식에 있다.

CO₂ 센서에 800ppm이 찍힌다고 작물도 800ppm을 경험하는 것은 아니다

온실 내부의 CO₂ 농도는 완전히 균일하지 않다.

시설 높이, 작물 군락 밀도, 유동팬, CO₂ 공급관 위치, 난방기, 천창과 측창의 개도율 등에 따라 위치별 농도차가 발생할 수 있다.

특히 측고가 높은 대형 온실에서는 온실 전체 공간의 CO₂ 농도를 동일하게 높이기 위해 많은 양의 CO₂가 필요할 수 있다.

최근에는 이런 문제를 해결하기 위해 온실 전체보다 작물이 위치한 군락 주변에 직접 CO₂를 공급하는 국소 CO₂ 시비방법도 연구되고 있다.

딸기 온실에서 실시된 연구에서는 군락 사이에 구멍이 있는 공급관을 설치해 CO₂를 직접 공급했다.

천창을 열어 환기하는 동안에도 기존 전체공간 공급방식보다 작물 군락 내부 CO₂ 농도가 약 100~200μmol/mol 높게 유지됐다.

그 결과 평균 과중은 약 10~26%, 누적 과실수는 약 13%, 누적 상품과 수량은 약 22% 증가했다.

반면 누적 연료소비량은 기존 방식보다 약 27% 감소했다.

이 결과는 CO₂를 많이 발생시키는 것보다 작물이 사용하는 공간에 효율적으로 공급하는 것이 중요하다는 것을 보여준다.

실제 딸기 스마트팜에서는 CO₂를 어떻게 볼까

현재 직접 운영하는 딸기 스마트팜에서도 CO₂는 주요 복합환경제어 항목 가운데 하나다.

실제 농장의 일부 시설조건과 운영자료를 정리하면 다음과 같다.

항목실제 농장 운영·설비 사례

재배작물	시설딸기
주 환경제어	Priva
보조 제어	Magma
CO₂ 관리	환경제어 시스템을 통한 모니터링·제어
주요 환기장치	천창·측창
시설 규모 사례	약 850평
시설 측고 사례	약 6m
난방설비 사례	LPG 약 20만 kcal/h
야간 목표온도	약 10℃

위 자료는 실제 농장의 운영 및 시설조건이며 모든 딸기농장에 적용되는 권장값을 뜻하지 않는다.

LPG 난방기 연소량을 기준으로 계산하면 시간당 상당량의 CO₂가 발생할 수 있다. 그러나 연소 과정에서 발생한 CO₂의 양과 작물이 실제 이용하는 CO₂ 양은 동일하지 않다.

환기 중에는 상당 부분이 외부로 배출될 수 있고, 공급 위치에 따라서도 이용효율이 달라질 수 있다.

따라서 발생량이나 공급량보다 실제 센서 농도와 그 농도가 얼마나 오래 유지됐는지를 확인하는 것이 중요하다.

CO₂ 센서 위치가 잘못되면 자동제어도 잘못된다

CO₂ 환경제어는 센서값을 기준으로 작동하기 때문에 센서 위치가 매우 중요하다.

센서를 CO₂ 공급관 바로 옆에 설치하면 작물 군락 평균보다 높은 값을 측정할 수 있다.

반대로 천창이나 측창 바로 주변에 설치하면 외기의 영향을 크게 받아 실제 작물 주변보다 낮은 값이 나타날 수 있다.

CO₂ 센서를 설치할 때는 일반적으로 작물의 광합성 환경을 대표할 수 있는 군락 높이를 고려하고 다음과 같은 위치는 피하는 것이 좋다.

CO₂ 공급구 바로 옆

천창이나 측창 바로 옆

난방기 토출구 주변

유동팬 바람이 직접 닿는 곳

작물과 지나치게 떨어진 온실 상부

가능하다면 휴대용 CO₂ 측정기로 제어센서 주변, 온실 중앙, 측면, 작물 군락 내부를 비교해보는 것이 좋다.

센서 하나의 숫자를 온실 전체의 절대값으로 생각하는 것보다 공간별 차이가 어느 정도인지 먼저 확인하는 것이 정확한 환경제어의 출발점이다.

CO₂와 일사량은 반드시 같이 봐야 한다

CO₂는 광합성의 원료이지만 빛이 없으면 광합성 속도 자체가 제한된다.

따라서 흐리고 일사량이 매우 낮은 날 높은 CO₂ 농도를 유지한다고 해서 맑은 날과 같은 효과를 기대하기 어렵다.

반대로 충분한 빛이 있는데 CO₂가 부족하면 광합성을 제한하는 요인이 될 수 있다.

2024년 수경재배 F1 딸기를 이용한 온실 연구에서는 400ppm과 600ppm의 CO₂ 조건을 비교했다.

600ppm 처리에서는 400ppm 처리보다 광합성률이 크게 증가했고 과실 수와 총수량도 증가했다. 연구 전체 평균에서 과실 수는 약 27.5%, 총 과실수량은 약 42.2% 증가했다.

다만 품종별 반응에는 차이가 있었으며 엽내 일부 무기양분 농도도 달라졌다.

따라서 이 결과 역시 600ppm이라는 하나의 숫자를 모든 농장에 적용하기보다 품종과 광환경, 생육상태를 함께 봐야 한다는 근거로 해석하는 것이 합리적이다.

CO₂ 관리에서는 최고농도보다 유지시간이 중요하다

환경제어 그래프에서 순간적으로 800ppm까지 올라갔다고 해서 작물이 하루 동안 충분한 CO₂를 공급받았다고 판단하기 어렵다.

예를 들어 오전 8시에 800ppm까지 상승했지만 10분 뒤 천창이 열려 450ppm으로 떨어졌다면 작물이 높은 CO₂ 환경을 경험한 시간은 매우 짧다.

반대로 650ppm 정도라도 광합성이 활발한 시간에 여러 시간 안정적으로 유지됐다면 실제 작물에 미치는 효과는 더 클 가능성이 있다.

따라서 스마트팜에서는 다음 항목을 기록하는 것이 유용하다.

CO₂ 공급 시작시간

목표농도 도달시간

목표농도 유지시간

천창·측창 개방시간

환기 후 CO₂ 감소속도

높은 일사시간의 CO₂ 농도

CO₂ 공급량 또는 연료사용량

최종 수확량

이 데이터를 연결해야 CO₂ 공급이 실제 생산성 증가로 이어졌는지를 판단할 수 있다.

환기 중 높은 CO₂를 계속 유지하는 것이 항상 경제적이지는 않다

온실은 CO₂ 농도만 관리하는 시설이 아니다.

온도가 상승하면 작물을 보호하기 위해 환기해야 하고, 환기하면 CO₂가 빠져나간다.

따라서 스마트팜에서는 CO₂ 공급량과 생산량을 동시에 분석해야 한다.

많은 CO₂를 공급해 수량을 조금 증가시키는 것보다 적은 CO₂를 효율적으로 공급해 비슷한 생산성을 얻는 방식이 경제적으로 더 유리할 수도 있다.

실제로 국소 CO₂ 공급 연구에서 상품과 수량은 약 22% 증가하면서 연료소비량은 약 27% 감소했다는 결과는 CO₂ 환경제어에서도 투입 대비 효과가 중요하다는 것을 보여준다.

스마트팜의 목표는 가장 높은 CO₂ 농도를 만드는 것이 아니다.

같은 생산량을 더 적은 에너지와 CO₂로 만드는 것이 더 발전된 환경제어라고 볼 수 있다.

스마트팜에서 CO₂ 데이터를 확인하는 순서

실제 농장에서 CO₂ 데이터를 분석할 때는 다음 순서가 유용하다.

일사량 확인

→ 현재 CO₂ 농도 확인

→ 천창·측창 개도율 확인

→ CO₂ 공급상태 확인

→ 목표농도 유지시간 확인

→ 군락 주변 농도 확인

→ 온도와 VPD 확인

→ 관수와 배액상태 확인

→ 과중·수량·품질 비교

한 달 또는 한 작기 동안 이런 데이터를 축적하면 농장에 맞는 CO₂ 전략을 만들 수 있다.

예를 들어 일사량이 높은 날과 낮은 날의 CO₂ 공급량을 비교하고, 천창 개도율이 증가할 때 농도가 얼마나 빠르게 감소하는지 분석할 수 있다.

이후 실제 수확량과 연료비까지 연결하면 단순한 환경제어를 넘어 경제성 분석도 가능하다.

CO₂ 환경제어의 목적은 높은 ppm이 아니라 높은 이용효율이다

스마트팜에서 CO₂ 목표농도를 결정하는 것은 중요하다.

그러나 더 중요한 것은 공급한 CO₂가 실제 광합성과 수량 증가로 연결됐는가이다.

일사가 부족한 시간에 높은 농도를 유지하거나 천창이 크게 열린 상태에서 계속 CO₂를 공급하면 이용효율이 낮아질 수 있다.

반대로 일사가 충분하고 광합성이 활발한 시간에 작물 군락으로 CO₂를 효율적으로 공급하고 환기상태에 따라 목표농도를 조절하면 같은 양의 CO₂로도 더 큰 효과를 얻을 가능성이 있다.

결국 스마트팜에서 CO₂를 관리할 때는 다음 네 가지 질문이 핵심이다.

빛이 충분한가?

작물이 광합성할 수 있는 상태인가?

공급한 CO₂가 실제 작물 주변에 도달하는가?

환기로 CO₂가 얼마나 손실되고 있는가?

이 네 질문에 데이터를 이용해 답할 수 있을 때 CO₂ 공급은 단순한 가스 공급이 아니라 스마트팜 환경제어가 된다.

참고문헌 및 연구자료 - ① Tagawa, A., Ehara, M., Ito, Y., Araki, T., Ozaki, Y., & Shishido, Y. (2022). “Effects of CO₂ Enrichment on Yield, Photosynthetic Rate, Translocation and Distribution of Photoassimilates in Strawberry ‘Sagahonoka’.” Agronomy, 12(2), 473. DOI: 10.3390/agronomy12020473. ② Hidaka, K., Nakahara, S., Yasutake, D., Zhang, Y., Okayasu, T., Dan, K., Kitano, M., & Sone, K. (2022). “Crop-local CO₂ enrichment improves strawberry yield and fuel use efficiency in protected cultivations.” Scientia Horticulturae, 301, 111104. DOI: 10.1016/j.scienta.2022.111104. ③ Osman, M., Qaryouti, M., Alharbi, S., Alghamdi, B., Al-Soqeer, A., Alharbi, A., Almutairi, K., & Abdelaziz, M.E. (2024). “Impact of CO₂ Enrichment on Growth, Yield and Fruit Quality of F1 Hybrid Strawberry Grown under Controlled Greenhouse Condition.” Horticulturae, 10(9), 941. DOI: 10.3390/horticulturae10090941. ④ “Gas exchange rate and yield response of strawberry to carbon dioxide enrichment.” Scientia Horticulturae, 48(3-4), 241-251 (1991). DOI: 10.1016/0304-4238(91)90132-I.