시설재배에서 “rate temperature to radiation” 개념

 시설재배에서 “rate temperature to radiation”은 일사량(광량)에 따라 온도를 일정 비율로 조절하거나 해석하는 개념으로, 광합성·생장·증산 등 식물생리에 적절한 온도를 설정하기 위해 사용됩니다. 이는 단순히 일사량이 높아지면 내부 온도가 상승한다는 사실을 넘어서, 작물별 최적 생육범위를 고려하여 일사량에 따라 목표 온도를 동적으로 조절하는 방식이라 볼 수 있습니다.

예를 들어,

1. 토마토 재배 사례

   • 오전에 광이 약할 때(예: 100~200W/㎡)는 목표 온도를 낮게(예: 20℃ 내외) 설정합니다.
   • 광이 점차 세지면(예: 400~500W/㎡이상) 증산도 활성화 되고 광합성 효율도 높아지므로, 목표온도를 22~25℃ 정도로 점진적으로 올립니다.
   • 이런 식으로 “광량 대비 온도 설정 비율”을 정해두면, 재배관리 시스템이 실시간 일사량을 보고 자동으로 가온·환기 등을 조절하여 적정 생장 환경을 유지합니다.

2. 상추 재배 사례

   • 광포화점이 낮은 상추는 너무 높은 일사량일 때 온도가 크게 상승하면 생장 장애가 발생하기 쉽습니다.
   • 따라서 일사량이 300W/㎡ 이상 올라가면 목표 온도를 크게 올리지 않고(예: 18℃→20℃ 수준), 부족한 습도를 올리거나 차광막·환기 등을 가동하여 식물체 온도를 안정적으로 관리합니다.

이처럼 rate temperature to radiation 개념을 적용하면, 광합성이 활발해지는 시간대에는 온도를 높이고, 광량이 낮아지면 온도를 내려서 에너지 효율을 높이는 동시에 작물별 최적 생육 조건을 맞출 수 있습니다. 이는 최근 스마트팜·자동화 제어 시스템에서 자주 활용되며, 작물 품질 향상과 에너지 절감에도 기여합니다.

시설재배에서 “rate temperature to radiation”을 수치적으로 표현할 때는 대체로 일사량(광량)에 따라 목표 온도를 선형적으로 산출하는 식을 사용합니다. 작물별·환경별로 기준이 조금씩 달라지지만, 대표적인 예시는 다음과 같은 형태로 볼 수 있습니다.

1) 기본적인 선형 공식 예시

$$T_{\text{set}}(R) = T_{\text{base}} + \alpha \times (R - R_{0})$$

• $T_{\text{set}}(R)$: 실시간 일사량 $R$에서의 목표 온도(℃)
• $T_{\text{base}}$: 일사량이 미미하거나 없는 야간 기준 온도(℃)
• $\alpha$: 일사량에 대한 온도 상승 계수 (예: 0.005~0.01 ℃/($\text{W}/\text{m}^2$))
• $R_{0}$: 이 이상부터 온도를 높이기 시작하는 최소 일사량 (예: 100~200 $\text{W}/\text{m}^2$)

이때 $R$이 $R_{0}$보다 작으면 $T_{\text{set}}(R) = T_{\text{base}}$로 유지하거나, 식물별 특성에 따라 보정값을 약간 더할 수 있습니다.

2) 구체적 사례 예시

(1) 토마토 재배

• 기본 설정

  • $T_{\text{base}}$ = 19℃
  • $\alpha$ = 0.006 (℃/($\text{W}/\text{m}^2$))
  • $R_{0}$ = 150 $\text{W}/\text{m}^2$

• 계산 예시

  • 일사량 300 $\text{W}/\text{m}^2$인 상황: $$T_{\text{set}} = 19 + 0.006 \times (300 - 150) = 19 + 0.006 \times 150 = 19 + 0.9 = 19.9 \approx 20℃$$
  • 일사량 600 $\text{W}/\text{m}^2$인 상황: $$T_{\text{set}} = 19 + 0.006 \times (600 - 150) = 19 + 0.006 \times 450 = 19 + 2.7 = 21.7 \approx 22℃$$

• 활용

  • 자동제어 시스템이 시간대별·일사량별로 계산된 $T_{\text{set}}$를 반영해 가온·환기 등을 제어합니다.

(2) 상추 재배

• 기본 설정

  • $T_{\text{base}}$ = 18℃
  • $\alpha$ = 0.004 (℃/($\text{W}/\text{m}^2$))
  • $R_{0}$ = 100 $\text{W}/\text{m}^2$

• 계산 예시

  • 일사량 300 $\text{W}/\text{m}^2$인 상황: $$T_{\text{set}} = 18 + 0.004 \times (300 - 100) = 18 + 0.004 \times 200 = 18 + 0.8 = 18.8 \approx 19℃$$
  • 일사량 500 $\text{W}/\text{m}^2$인 상황: $$T_{\text{set}} = 18 + 0.004 \times (500 - 100) = 18 + 0.004 \times 400 = 18 + 1.6 = 19.6 \approx 20℃$$

• 활용

  • 상추는 광포화점이 낮으므로, 무작정 높은 온도 설정보다는 $\alpha$값을 작게 잡아 천천히 온도를 올리는 것이 일반적입니다.

3) 주의사항

1. 최대·최소 온도 제한

   • 너무 높은 온도를 방치하거나 너무 낮게 설정하면 생육장해가 발생할 수 있으므로, $\max$·$\min$ 제한을 두는 경우가 많습니다. 예: 최저 18℃, 최고 25℃ 등.

2. 작물별 보정

   • 품종, 생육단계(유묘·생장·개화·결실), 외기 조건 등에 따라 $\alpha$나 $T_{\text{base}}$ 값을 달리 설정합니다.

3. 실측값 반영

   • 일사량 계측 센서의 오차나 날씨 급변 시에는 제어 시스템이 일부 지연되므로, 평균값이나 이동평균 등을 활용하기도 합니다.

4. 에너지 절감 효과

   • 일사량이 충분할 때 온도를 효율적으로 높이고, 광이 적을 때는 과도한 가온을 줄이는 식으로 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.

위와 같은 공식과 예시는 실제 스마트팜 자동제어 시스템에서 5~7년 전부터 활발히 활용되고 있습니다. 각 재배 현장의 환경(지역, 계절, 하우스 구조 등)에 맞춰 적용 파라미터를 조정하면, 작물 생육과 에너지 사용을 균형 있게 관리할 수 있습니다.

아래 값들은 국내외 스마트팜·시설재배 현장에서 연구·현장 사례 등을 바탕으로 정리한 “대략적인” 기본 설정값 예시입니다. 품종(계통), 재배 단계(유묘기·생장기·결실기), 지역(기후), 시설 환경(단열 정도·환기 성능 등)에 따라 달라질 수 있으므로, 실제 적용 시에는 반드시 시험 재배나 작물 반응을 모니터링하여 보정하는 것이 중요합니다.

• T_base(℃)
  일사량이 낮거나 거의 없을 때(야간 또는 흐린 날) 유지하려는 “기준 온도”입니다.

• α (℃/W·m⁻²)
  일사량 1W·m⁻² 증가 시 목표 온도를 얼마나 높일 것인지 결정하는 계수입니다. 작물이 빛을 통해 광합성을 활발히 하는 정도(광포화점, 광합성 효율)에 따라 달라집니다.

• R₀(W·m⁻²)
  어느 정도 일사량 이상부터 가온(또는 온도 상승)을 고려할지를 정하는 임계값입니다. R₀ 이하에서는 광량이 부족하므로 T_base를 그대로 유지하거나, 최소 온도만 확보하고 지나친 가온은 피하는 식으로 운용합니다.

활용 시 참고사항

1. 작물 생육 단계별 보정

   • 예: 토마토의 경우 정식 초기(유묘 이후)에는 T_base를 1~2℃ 높이고, 결실 후 과비대기에는 약간 낮추는 등 단계별로 조절합니다.

2. 시설 환경 조건

   • 동일한 설정값이라도 보온 커튼, 환기구, 차광 시설 등의 성능에 따라 실제 내부 온도 변화가 달라질 수 있습니다.

3. 날씨 변화 대응

   • 일시적인 흐림, 급격한 기온 하강 등 외부 기상 여건이 급변할 때는 단순 선형 비례식만으로 제어가 어렵습니다. 평균화(이동평균) 기법, 예측 모델 등을 사용해 안정적으로 온도를 제어합니다.

4. 현장 모니터링 및 미세조정

   • 초기 설정값으로 재배를 시작하고, 작물 상태(생육, 착과률, 병해충 등)를 관찰하면서 α·T_base·R₀를 재조정합니다.

위 표와 같이 5~7년 전부터 스마트팜 및 자동화 시설에서 “일사량 대비 온도 설정( rate temperature to radiation )” 기법이 널리 보급되고 있습니다. 각 현장의 환경(위도, 계절, 시설규모)에 따라 최적값이 달라지므로, 반드시 시험 재배와 장기 모니터링을 통해 구체적 설정값을 확립하는 것이 좋습니다.