第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

CTC 14-II-028

道路融雪施設の再生可能エネルギー活用について
A Study of the Renewable Energy Practical use to a Snow Melting Facility

山口和哉 1，片野浩司 1，永長哲也 1
Kazuya YAMAGUCHI、Koji KATANO、Tetsuya EINAGA
1 独立行政法人土木研究所

寒地土木研究所

1Civil Engineering Research Institute for Cold Region, Public Works Research Institute1．はじめに

2．融雪施設の実態調査

積雪寒冷地では、冬期間の道路融雪施設は交通安全の調査は、札幌市内の車道に設置されている電気式、温確保のため必要不可欠なものであり、勾配などの道路条

水式の融雪施設において、路面温度、消費電力量、往・件を勘案し設置されている。これらの施設の熱源はほと

還温水温度（温水式のみ）、路面状況、融雪状況、外気

んどが電気であり、このコスト（電気料金）が道路管理

温度、全天日射量、風向風速、降雪量のデータを収集し、の大きな負担となっている。また東日本大震災以降、節供給熱量と必要熱量推計値の比較を行い、この結果から電が必要となっており、特に北海道のように冬期間に電最大縮減ポテンシャルを推計した。
また、必要熱量から、

力使用量のピークを迎える地域では、冬季の節電が重要

ベース負荷（必要熱量を累積出現率で整理し、融雪期間であり、道路融雪施設のより効率的で経済的な維持管理を通して発生時間の長い必要熱量）の検討を行った。

が求められている。

2．1 供給熱量と必要熱量

そこで、既存融雪施設の稼働実態を調査し、供給熱量

北海道開発局の道路設計要領に従い、過去の気象条件（供給電力量）と必要熱量（降雪量、外気温度、路面温から推計した必要熱量と実際に計測した供給熱量を比較

度、風速から推計される融雪や凍結防止に必要な熱量）した結果を表－１に示す。なお、計測期間が年度や地点を検討することで、最小限必要な熱量を明確にし、再生によって異なることから、計測期間外の供給熱量を計測

可能エネルギーの効果的な活用方法の提案を行うため、期間の平均値として、12/1～2/28 の総供給熱量を推計す

必要最低熱量、断続運転について融雪効果シミュレーシ

る形で統一した。

ョンを実施した。また、北海道内での再生エネルギーの比較の結果、削減ポテンシャルは 30～40％程度となっ地域特性の把握や、未利用エネルギーである下水熱の利た。これは仮に融雪面積を 1,000ｍ２とすると、電気料金用について検討を行ったので報告する。

約 1,480 千円/年、Ａ重油約 14,000Ｌ/年に相当する（ほっとタイム 22：11.57 円/kWh、重油発熱量：39.1MJ/L）。
ここで推計される必要熱量は、凍結防止もしくは融雪に必要な熱量である。凍結防止の必要熱量は、路面の乾燥、湿潤に関わらず路面温度 0℃以下で計上されるため、路面乾燥状態を的確に感知し必要熱量を検証することにより、より大きな削減ポテンシャルが得られる可能性がある。路面状態と気象条件、供給熱量の関係は年度によって大きく変わるため、今後もデータ蓄積が重要である。
また、交通量や除排雪と路面状態の関係などによっても、削減ポテンシャルは増減すると考えられる。

写真－１ 融雪状況
山口和哉（独立行政法人土木研究所 寒地土木研究所）
2．融雪状況調査
〒062-8602 札幌市豊平区平岸 1 条 3 丁目 1 番 34 号 tel 011-590-4049 fax 011-590-4054
302

e-mail:yamaguchi-k22ac@ceri.go.jp

第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

表－１ 必要熱量と供給熱量の比較

CTC 14-II-028

3．再生可能エネルギーによる融雪シミュレーション

単位：kWh/m2

3．1 道内主要都市ごとの必要熱量シミュレーション

項目

2011年

2012年

2013年

供給熱量推計値（札幌①）

396.2

353

353

供給熱量推計値（札幌②）

-

329.6

-

供給熱量推計値（札幌③）

423.9

-

-

ションを行い、地域ごとの特性を把握した。対象都市は

必要熱量推計値（札幌①）

232

218.7

193.3

札幌、小樽、函館、旭川、釧路、帯広とし、2008～2012

必要熱量推計値（札幌②）

-

238.5

-

必要熱量推計値（札幌③）

221.9

-

-

必要熱量/供給熱量（札幌①）

59%

62%

55%

必要熱量/供給熱量（札幌②）

-

72%

-

必要熱量/供給熱量（札幌③）

52%

-

-

削減ポテンシャル平均（=100-必要/供給）

45%

33%

45%

道内主要都市の気象条件から、必要熱量のシミュレー

年の 5 カ年分の 12/1 から 3/31 までの気象庁アメダス１
時間データを用い必要熱量を推計した。
シミュレーションの条件として、外気温が低い時は、「凍結防止に必要な熱量」が計上されるが、「実際は乾41%

削減ポテンシャル3 ヵ年平均燥している」という場合も考えられるため、以下の３パ

2．2 ベース負荷の検討

ターンに分けて推計を行った。

再生可能エネルギーは融雪施設の熱源として活用する

1) 全時間：路面乾燥を考慮せずに全ての時間についてことで、
環境負荷低減・省エネ効果などが期待されるが、算出。

必要熱量の変動に対し迅速に応答（供給熱量を増減）す2) 降雪終了後 48 時間以内：降雪終了後 48 時間後以降ることは困難であるため、再生可能エネルギーによる効は路面が乾燥しているものとして、必要熱量を推計しな果的な供給熱量としてベース負荷を検討した。

い。

ここでは、以下の方法により必要熱量を整理した。

3) 降雪終了後 24 時間以内：降雪終了後 24 時間後以降

1) 必要熱量の出現率は気象条件によって異なるため、は路面が乾燥しているものとして、必要熱量を推計しな

札幌のアメダスデータ過去 6 年分及び実態調査を行ったい。

3 地点 3 年分のデータから、各年度の 12 月～2 月の必要600

熱量を推計した。

500
期間必要熱量推計値（kWh/m2）

全時間2) 必要熱量推計値を各年度、累計出現率で整理した。
3) 0W/ｍ２は除外して累積出現率を整理した。
以上の条件により必要熱量を累積出現率で整理した結果を図－1 に示す。

降雪後48時間以内

降雪後24時間以内

400

300

200

100

必要熱量は出現率が高くなると、指数関数的に上昇している（指数関数での近似値によるＲ２≒0.92）。

0
2008年度これは、累積出現率の高い側にベース負荷を設定する

2009年度

2010年度

2011年度

2012年度

5ヵ年平均

図－２ 期間必要熱量推計結果(札幌)と、年間を通して必要な熱量に対して、急激に無駄とな600る熱量が多くなることを示す。

500
期間必要熱量推計値（kWh/m2 ）全時間

このことから、出現率が 50%以下の必要熱量推計値をベース負荷として 3 パターン（16.6％、33.3％、50.0％）
設定した。

降雪後48時間以内

降雪後24時間以内

400

300

200

100

0
2008年度

2009年度

2010年度

2011年度

2012年度

5ヵ年平均

図－３ 期間必要熱量推計結果（旭川）
600

全時間

降雪後48時間以内

降雪後24時間以内

期間必要熱量推計値（kWh/m2 ）500

ベース負荷 50.0%(113W/m2)
ベース負荷 33.3%(80W/m2)
ベース負荷 16.6%(47W/m2)

400

300

200

100

0
2008年度

2009年度

2010年度

2011年度

2012年度

5ヵ年平均

図－４ 期間必要熱量推計結果(釧路)

図－１ 必要熱量の累積出現率推計
303第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

図－２～４より、旭川市が札幌市と比べて数値が大き

CTC 14-II-028

表－３ 断続運転の融雪シミュレーション結果

くなっているがこれは降雪が多く気温が低いためである。

項目

実測値

①

②

③

2

832.3

661.9

663.8

722

2

810

663.1

663.5

713.9

821.1

662.5

663.6

718

削減率

19%

19%

13%

削減料金(千円）

529

525

344

CO2削減効果t-CO2/年）

21

21

14

釧路市は降雪量が少なく、外気温度が低いため、乾燥を考慮した推計と考慮しない推計の差が大きくなってい2012合計（MJ/m ）る。このような気象条件の都市では、施設の制御方法に2013合計（MJ/m ）よっては大きな省エネのポテンシャルがあると考えられ

2

平均（MJ/m ）る。
3．2 断続運転の融雪効果シミュレーション
既存融雪施設では、融雪専用電源である「ほっとタイ
ム 22」を活用することが多いが、電力契約上 16:00 から
21:00 の間に 15 分×8 回（5 時間中 2 時間）の断続運転を行っている。路面状況把握や、路面温度の計測結果(図－５)から、
この時間帯に路面凍結が発生する頻度は非常

3．3 再生可能エネルギーによる供給熱量シミュレーシに少ない。このことから道路交通の安全性を損なわないョン
融雪施設に導入が考えられる再生可能エネルギー及び程度に別の時間帯でも断続運転を行うことで省エネ効果

未利用エネルギーとして、太陽熱（集熱パネル）、地中が得られると考えられる。

熱、下水熱、温泉熱等がある。実際の融雪施設へ適用すここでは、以下の条件で供給熱量の削減効果を検証しるにあたり地域性を考慮した一番有効な未利用エネルギ

た。(表-２)

ーの適応性を評価した。
気温（℃）

風速（m/s）

路面温度（℃）

この中で太陽熱は膨大な集光面積が必要となることに面積あたり供給熱量

加え、エネルギーの需給にギャップがあり（大規模な貯

250

10.0

6.0

200

4.0
2.0

150

0.0
‐2.0
100

‐4.0
‐6.0

50

‐8.0
‐10.0
‐12.0

湯槽が必要）、パネルへの着雪の影響も考えられる。よ2］
面積あたり供給熱量［W/m面積あたり供給熱量［W/m2］

温度［℃］、
風速［m/s］
温度［℃］、風速［m/s］

8.0ってここでは熱源が供給できれば常時運転可能な地中熱、下水熱で検討した。
１）地中熱利用について
ヒートパイプを敷設する敷地の確保が可能であれば、融雪施設の熱源として導入可能と考えられる。本検討では札幌で平均的とされる採熱量を用いたが、地下水流量

0
0:00

6:00

12:00

18:00

の有無や土壌条件によって取得可能な熱量は大きく変わ

0:00

図－５ 断続運転時の路面温度（川沿 RH）る可能性があるため、実際の導入にあたっては熱応答試
験などを行い必要な設備規模を検討する必要がある。

表－２ 断続運転の停止パターン

敷地の確保が可能な郊外部では下水熱のポテンシャルが小さい（下水管に接続する人口・企業が少ない）と考

番号

運転率

1時間あたりの停止率
停止する時間

①

0.5

0.5

30分相当 10分×3など

②

0.6

0.4

24分相当 ホットタイム22と同様

い。郊外部では敷地の確保は可能であるが下水量が少な

③

0.8

0.2

12分相当 6分×2など

く優位性が低い。

備考

えられ地中熱が優位となる。
２）下水熱について
都市部のように下水流量が多ければ導入の可能性が高

下水については管更生の際に付帯機能として熱の取得推計の結果(表－３)、
２年間平均の削減額は、
344～529を行うことが効果的と考えられる。また、実際の導入に千円/年、二酸化炭素削減効果は 14～21t-CO2/年となっあたっては、流量・温度の連続測定を行った上での導入た。

規模の評価が必要である。

今後は、実証実験や既存施設の計測の積み重ねにより、道内７箇所の融雪施設を対象に、未利用エネルギーの

路面の安全性を保持可能な適切な断続運転を検証するこ

利用についてシミュレーションを実施した結果、市街地とが課題となる。また、日射量との組み合わせ（日射時

では、地中熱ヒートパイプの設置場所の確保が難しく、に強制的に断続運転を行う制御など）も有効と思われる。

下水熱の利用が有効であることがわかった。

304第30回寒地技術シンポジウム（2014年12月2日・3日・4日）

表－５ 道内の下水道の水温

逆に、郊外部では下水量の確保が難しく、地中熱の有効性が高いことがわかった。(表-４)

都市名

測定箇所

表－４ 各地域のエネルギー種類ごとの適合正評価
名称

CTC 14-II-028

年平均
気温
（℃）

年平均

水温（℃）
最高

札幌市

創成川水再生プラザ

8.9

16.6

21.3

最低
11.7

地中熱

下水熱

旭川市

旭川市下水処理センター

6.9

16.1

20.7

10

札幌市川沿アンダーパス

△

○

函館市

函館湾浄化センター

9.1

18.2

23.6

11.6

札幌市南4条西3丁目

△

○

釧路市

古川終末処理場

6.2

15.9

22.9

9.9

小樽市若竹ロードヒーティング

△

○

帯広市

十勝川流域下水道浄化セ
ンター

6.8

17

21.7

12.2

小樽市入船ロードヒーティング

△

○

網走市

網走浄化センター

6.5

16.6

21.1

12.8

長万部町 長万部交差点○△

旭川市春志内トンネル(札幌側)○△

釧路市旭バイパスロードーヒーティング△○

出展：平成 22 年度 下水道統計

4．3 下水熱の課題・有効性
下水熱について、冬期の水温は 10℃以上あるものの、取得可能なエネルギー量は日平均流量に対して 40％程

4．未利用エネルギーとしての下水熱利用について

度にとどまる。このため導入可能な地域は下水が豊富に

4．1 下水流量

流下するところで、具体的には住宅地や商業地に限定さ
３

下水流量 10,000～100,000m /日規模の処理場におけれ、郊外での導入は難しい。

る流入量の時間変動比を図－６に示す。道内では、札幌市をはじめ、中核都市の下水処理場のほとんどがこの規5．まとめ模に分類される。

今年度の供給熱量と必要熱量の検討及び融雪効果シミュレーション等により、以下の知見が得られた。
・供給熱量の削減ポテンシャルは 30～40％程度であることがわかった。
・必要熱量は、地域により大きな差があり、降雪が少ない地域では路面乾燥を考慮することで、大きな省エネポ
テンシャルがあると思われる。
・融雪施設の断続運転制御については、現状でも融雪電力契約の規定により実施されており、大きな問題が発生していないことから、今後は、路面の安全性を保持可能

ロードヒーティングに利用可能な流量（ベース熱源）

な適切な断続運転を検証する。
・道内 7 箇所の融雪施設を対象とした未利用エネルギー
出展：下水道施設計画・設計指針と解説 2009 年版

利用シミュレーションでは、市街地では下水熱、郊外部

図－６ 流入下水量の時間変動比（10,000～100,000m３/日）

では地中熱の有効性が高かった。
・下水熱については、エネルギーとしての利用が進められている。特に都市部での未利用エネルギーとしてのポ融雪施設は昼夜を問わず稼働する施設で、その熱源にテンシャルが高い。

は「安定性」が求められる。図－６によるとベース熱源として期待できる汚水量は日平均汚水量の 40％程度で

参考文献

ある。

1) 北海道開発局：道路設計要領、第５集電気通信施設、第４章ロードヒ

4．2 下水の水温ーティング設備、H24

下水の水温について、「下水道統計」の測定値から、

2）北海道大学地中熱利用システム講座：地中熱ヒートポンプシステム、

道内主要都市の水温を表－５にまとめた。

H19.9

道内の下水の水温は平均 16～18℃、最高 20℃以上、最3）地表面に近い大気の科学：近藤純正

低 10℃程度である。地中熱ヒートポンプの熱源である地

4）下水道施設計画・設計指針と解説、2009 年版

下水の温度はその都市の年平均気温＋1～2℃程度であり、

5）平成 22 年度 下水道統計

下水は地下水よりも水温が高いこととなる。

6）気象庁 アメダスデータ

305