報 文

雪堆積場の雪冷熱利用技術に係る実証実験について
Proof Experiment about Technology to Use Cool Energy from Snowof Snow Dumping Site永長

哲也＊

片野浩司＊＊

山口和哉＊＊＊

EINAGA Tetsuya, KATANO Koji and YAMAGUCHI Kazuya

雪冷熱エネルギーの利用は、地方自治体、民間等によってこれまでも検討され一部で実用化されているものの、集雪コストが嵩むことが課題であった。また、利用する場合でも屋外で雪を保存し冷熱エネルギーを利用する方法は技術的に体系化されていないという課題がある。一方、道路除排雪には、札幌市など都市部の雪堆積場の確保が年々困難となり、遠隔地化しているため、排雪ダンプトラックの輸送距離が長くなり、運搬排雪コストが増大しているといった課題がある。これらの課題を雪堆積場の雪を雪冷熱エネルギーとして利用することで、道路排雪の活用及び運搬排雪コストの削減を図る
ため雪堆積場の雪冷熱利用技術について検討し、平成25年度は美唄市で実証実験を行った。
実証実験において、採熱箇所を雪山の下面又は表面とする方式を検討した。雪山の下面に採熱管を設置し、雪及び融解水から採熱管を介した冷媒（水、空気）へ熱交換を行うことで採熱する雪山下面方式は、安定して採熱できることを確認した。雪山の表面に採熱管を設置し、雪により冷やされた空気を取得することで採熱する雪山表面方式は、採熱は可能であったが、採熱量当たりの融解量が多く、より効率的に採熱するための検討が必要であることがわかった。
《キーワード：雪堆積場；雪冷熱；再生可能エネルギー；運搬排雪》
Use of cool energy from snow which is renewable energy, has been put to practical use in some,
but has not been systematized technically for use of snow stored on the outdoors such as a snow
dumping site. Meanwhile, snow hauling costs have increased in Sapporo and other urban areas due
to increasing difficulty in securing snow dumping site and longer transport distances. A Proof
experiment on experimental snow mound which was made at Bibai in fiscal year 2013 wasconducted to reduce the snow hauling cost by using the road snow disposal and study cool energy
utilization technology. In the proof experiment, a system which has heat extraction points on theundersurface/bottom and surface of a snow mound was examined. It was verified that theundersurface system which installs the heat collecting pipes on the undersurface of a snow mound,and takes heat from snow and snowmelt to coolant through heat collecting pipes by heat-exchange
could be stabilized and taken heat. Also it was possible to take heat by the surface system which
has the heat collecting pipes on the surface of a snow mound and takes heat by acquiring the aircooled by snow. However it turned out that it need to be studied a method to take heat more
efficiently because the system cause a large amounts of dissolution of the snow mound.
《Keywords：Snow Dumping Site, Cool Energy from Snow, Renewable Energy, Snow Hauling》

2

寒地土木研究所月報№732

2014年５月

１．はじめに

２．１．１

全空気式

全空気式は、雪山で冷却された空気を送風機を用い雪冷熱エネルギーとは、冬期に降り積もった雪を冷て施設に送風する方式である。システム構築がシンプ

熱源として夏期まで保存し、その冷気や融解水を農産ルであり、比較的高湿度の冷気を供給できること、雪物などの冷蔵や、施設の冷房に使用するものである。のフィルター効果（室内の粉塵、臭いなどの吸着削減

再生可能エネルギーである雪冷熱エネルギーは、新効果）が発揮されることなどの特徴を有する。

エネルギーの利用等の促進に関する特別措置法におい冷熱を引き込むために雪山内部に設置したトラフ周て、新エネルギーに位置付けられており、再生可能エ辺から融解が進行し、空洞が大きく成長することに伴ネルギー導入を推進する取組は、東日本大震災以降活い、雪山が局部的に崩壊し、断熱材の下から雪山が露発化している。また、平成24年３月に豪雪地帯特別措出し融解を助長したため、亀裂箇所の断熱材の補充な置法が改正され、雪冷熱エネルギーの活用促進にかかど頻繁なメンテナンスが必要であった。

る規定が追加された。

２．１．２

冷水循環式

雪冷熱エネルギーの利用にあたっては、地方自治体、

冷水循環式は、雪山で冷却された水を循環ポンプを民間等で冬期に除排雪で集めた雪を夏期の冷房に使用用いて施設に送水する方式である。電気式の冷房と同するなど、これまでも検討され、一部で実用化されてじ効果を得られること、サーモスタット等を付設するいるものの、冷熱源となる雪を集めるコストが嵩むとと温度制御が容易にできることなどの特徴を有する。

いう課題があった。また、利用する場合でも、屋外で雪山下面から段階的に雪を融解させるため、雪山の雪を保存し雪冷熱エネルギーを利用する方法について大きな崩壊はなく安定した状態を維持できた。

は技術的に体系化されていないという課題がある。

２．１．３

地中温度の検証

一方で、道路除排雪の観点からは、道路管理者には、雪山下面の地中部を採熱箇所として利用できるか検札幌市などの都市部では、雪堆積場（道路除雪によっ討するため、雪山下面及び地表に雪がない箇所の地中て堆積した雪の運搬先）の確保が年々困難となり、遠温度について、深度0.0ｍから3.0ｍまで計測を行った。

隔地化しているため、雪を積んだダンプトラックの輸図－１に示すとおり、地表に雪がない箇所では外気送距離が長くなることによって、運搬排雪コストが増温度の影響で地中温度が上昇するのに対して、雪山下大しているという課題に直面している。

面の地中温度は、深度が浅い箇所（－0.5 ～ 0.0ｍ）では、従って、これらの課題を雪堆積場の雪を雪冷熱エネルギーとして利用することによって、雪冷熱エネルギーの利用促進を図るとともに運搬排雪コストの削減をするため、雪堆積場の雪冷熱利用技術について検討し、平成25年度は美唄市に実験用雪山（以下「雪山」という）を造成、実証実験を行った。

低温度で推移することから、雪山下面を採熱箇所として利用できることがわかった。
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２．雪山の概要㔐᦭㪄㪊㪅㪇㫄㪈㪇

平成24年度の基礎実験１）を踏まえ、雪堆積場に適した採熱方法を検討のうえ、平成25年度に向けた雪山を設計した。

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図－１
２．１

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地中温度の推移

平成24年度基礎実験

平成24年度は、道路排雪でも雪冷熱エネルギーを採
3

２．２

平成25年度実証実験

取できるかを確認するため、218ｍ（12.0×12.0×3.5ｍ）

平成24年度の基礎実験の結果、雪山内部にトラフなの雪山を各実験毎に造成し、２種類（全空気式、冷水どの構造物を設置した場合、雪山内部からの融解を促循環式）の採熱方法による基礎実験を行った。また、進し、雪山の局部的な崩壊による断熱材の補充などの効率的な採熱箇所を検討するため、雪山下面の地中部作業が多く生じたことを踏まえ、雪山内部から冷熱をについて地中温度の測定などを行った。

採取しない次の２箇所からの採熱方法を検討し、雪山

寒地土木研究所月報№732

2014年５月 3

の設計及び造成を行った。
２．２．１

雪山下面の利用

雪山の下面に採熱管を設置し、雪及び融解水から採熱管を介した冷媒（水、空気）へ熱交換を行うことにより採熱する。
雪山下面から面的に冷熱を採取するため、局部的な崩壊が起こりにくく、融解による雪山の形状変化は安定したものとなる。更に、採熱管を介して熱交換を行うため、融解水に含まれる異物などが採熱管内に 混 入 す る こ と が な く な り、 計 測 室 内 の 送風 機（FCU）内の配管の目詰まりなどによる故障を防止す

写真－１

雪山全景

ることができる。
２．２．２

実験１区画当たりの面積は、雪山下面利用の実験Ａ

雪山表面の利用

雪山の表面に採熱管を設置し、雪により冷やされた～Ｃは、幅5.0ｍ×奥行10.0ｍとした。雪山表面利用

空気を取得することにより採熱する。雪山表面から面の実験Ｄは事例がほとんどなく、実際に得られる採熱的に冷熱を採取することができるほか、雪山造成後に量が明らかでなかったため、天端と法面を利用して採採熱管を設置することができる。

熱面積を大きく取り、幅9.65ｍ×奥行10.0ｍとした。

２．２．３

また、雪山高さは、採熱による融解高さ2.0ｍに自然雪山の設計及び造成

採熱用の雪山は表－１のとおり採熱方法と採熱箇所融解量分2.0ｍを加えた4.0ｍとした。

別に４種類の設計を行い、雪山を美唄市東明（美唄人雪山と各実験の配置状況を図－２に示す。

材開発センター内）に、美唄市内の癸巳雪堆積場から雪山から得られた雪冷熱エネルギーに対し熱負荷を道路排雪を運搬して、造成した。

与えるため、計測室には仮設ハウス（1.8ｍ×3.6ｍ）を平成25年度は雪山を大きくすることで断熱材の補充など補修頻度に違いがあるかを検討するため、約2,0003m の雪山を１基造成して実験を行った（写真－１）。

採用した（写真－２、写真－４）。
雪山の断熱材には、伐採小木などを粉砕したバーク材を使用し300mm の厚さで被覆した。
実験は、６月３日より開始し、各実験の雪山からの表－１
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雪冷熱エネルギーの取得量による比較検証を行うた

実験の種類

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め、往・還ヘッダー（冷水循環式の場合）又は往・還チណᾲ᧚ᢱ᳓ 㔐ጊਅ㕙 Ⲣ⸃᳓ᶐㅘ  ᨞ᯅࡐ࡝ࠛ࠴࡟ࡦ▤ታ㛎㧮 ᓴ Ⅳ ᑼ 㔐ጊਅ㕙 Ⲣ⸃᳓ṛ⇐  㧔#㧕ήሹ▤ታ㛎㧯㔐ጊਅ㕙ోⓨ᳇ᑼታ㛎㧰㔐ⷙጊᮨ㔐ጊ⴫㕙ᵄઃࡐ࡝ࠛ࠴࡟ࡦ▤ャンバー（全空気式の場合）、計測室内の温度、外気温度を計測した。また、風向、風速などの気象観測、定点カメラによる雪山の形状変化の観測、定期的な測量などを実施した。

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図－２4

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雪山と各実験の配置状況
寒地土木研究所月報№732

2014年５月

２．４

実験種類と採熱管布設

４種類の実験の詳細について以下に示す。
２．４．１

実験Ａ（冷水循環式、雪山下面）

実験Ａは、採熱箇所を100mm 掘削した地面に架橋ポリエチレン管（口径13mm の無孔管）を布設し、掘削波付ポリエチレン管で熱交換した空気を、定格で運転させた送風機（７m3/min）
にて計測室内に送風し、再度雪山に戻した。採熱管布設状況、計測室を写真－４に示す。
なお、冷水循環式との配管径の違いは、両者とも同程度の冷熱エネルギー量を採取するためであり、空気土砂により埋戻した。
雪山から地中への熱伝達による温度低下と融解水の浸透による採熱管周囲の温度低下を利用して架橋ポリを冷媒とした方が大きな径の配管が必要となる（写真－２、写真－４）。

エチレン管で熱交換した水を、定格で運転させた循環ポンプ（口径25mm、20L/min）にて計測室内に設置した送風機（FCU）に送水し、再度雪山に戻した。採熱管布設状況、計測室を写真－２に示す。

写真－４２．４．４

採熱管布設（左）、計測室（右）実験Ｄ（全空気式、雪山表面）実験Ｄは、雪山造成後に雪山表面（天端及び法面）に
写真－２

採熱管布設（左）、計測室（右）有孔管である排水性舗装用導水管を布設し、その表面に断熱及び外気との遮断のためシートを布設した。

２．４．２

実験Ｂ（冷水循環式、雪山下面）

雪の表面で直接熱交換し冷却した空気を定格で運転実験Ｂは、採熱箇所を100mm 掘削した地面に、採させた送風機（７m3/min）にて計測室に送風し、再度熱管への熱伝達向上を図る目的で、融解水を採熱管周雪山に戻した。採熱管布設状況を写真－５に示す。

囲に滞留させるためのビニールシート上に架橋ポリエチレン管（口径13mm の無孔管）を布設し砕石により埋戻した。
実験Ａと同様に架橋ポリエチレン管で熱交換した水を、定格で運転させた循環ポンプ（口径25mm、20L/min）にて計測室内に設置した送風機（FCU）に送水し、再度雪山に戻した。採熱管布設、埋戻し状況を写真－
写真－５３に示す。

採熱管布設法面（左）、天端（右）なお、６月３日からの実験で、雪山表面から採熱可能であることが確認できたため、７月２日より採熱対象面積を実験Ａ～Ｃと同様に幅5.0ｍ×奥行10.0ｍに変更した。その際、実験当初は還チャンバーより吹き出した空気は、採熱箇所全体に行き渡ることなく、近くに設置した往チャンバーから吸引し、雪山表面で冷
写真－３

採熱管布設（左）、埋戻し（右）やされた空気を十分に吸引することができなかった、
また、還チャンバー周辺の雪の融解が多かったため、実験Ｃ（全空気式、雪山下面）チャンバーの配置を法面上部と下部に変更した。その実験Ｃは、採熱箇所を300mm 掘削した地面に、波ため、法面上部より採熱箇所に吹き出した空気は、法付ポリエチレン管（口径200mm の無孔管）を布設し、面下部のチャンバーより吸引できるようになり、採熱掘削土砂により埋戻した。

箇所全体に行き渡るようになり効果的に採熱できるよ２．４．３

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2014年５月 5うになった。変更前後の断面図を図－３、採熱管、シ年度は１カ月から２カ月に１回程度の補修で問題ないート布設状況を写真－６に示す。

ことが確認できた。これは、雪山自体に大きな形状変化がなかったこともあり、断熱材に亀裂が生じても雪山の融解、縮小による亀裂箇所の移動に合わせて断熱ឃ᳓ᕈ⥩ⵝ↪ዉ᳓▤

材も追随したためと思われる。断熱材亀裂状況を写真ㆶ䍟䍊䍻䍨䍼䍎ឃ᳓ᕈ⥩ⵝ↪ዉ᳓▤ㆶ䍟䍊䍻䍨䍼䍎

－８に示す。

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図－３

写真－６３

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実験Ｄ変更前（左）、変更後（右）採熱管布設（左）、シート布設（右）写真－８

実験結果及び考察

３．１

形状変化

３．２

６月３日から８月31日時点までの雪山形状変化を写真－７に示す。全体的に融解が進んだため、雪山の局部的崩壊など大きな形状変化は起きなかった。

断熱材亀裂状況

融解量

３．２．１

雪山下面利用

６月３日から８月31日時点までの融解量（自然融解量及び採熱による融解量）
は、表－２に示すとおり、実験Ａは88.0m3、実験Ｂは84.5m3、実験Ｃは80.5m3とな

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䋶᦬䋳䋰ᣣ

った。なお、雪山融解分のエネルギー量は、以下の計算式で算出した。
Q ＝ v ×ρ× L
Q：雪山融解分のエネルギー量（MJ）
v：雪山融解量（m3）ρ：雪密度（0.6t/m3）䋷᦬䋳䋰ᣣ

L：融解潜熱（334.88MJ/t）

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表－２
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写真－７

雪山形状変化（６月３日～８月31日）

雪山下面利用の融解量න૏㔐ጊⲢ⸃㊂O㔐ጊ಄ᾲ㨾㩒㩣㩁㩨㨺㊂/,

３．２．２ታ㛎㧭ታ㛎㧮ታ㛎㧯

雪山表面利用表－３に示すとおり実験Ｄの６月３日から７月１日
雪山を大きくしたことによる断熱材のメンテナンス

時点までは43.0m3、往・還チャンバーの配置を変更し性に与える影響については、平成24年度の基礎実験でた後の７月２日から８月31日までの融解量は60.7m3とは天端及び法面境界部などにできた亀裂への断熱材のなった。

補充による補修作業が頻繁に必要であったが、平成256

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2014年５月

表－３

なお、冷熱エネルギー量（時間当たり）は以下の計算

雪山表面利用の融解量（実験Ｄ）式で算出した。

ታ㛎㧰
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［冷水循環式］Q ＝ q × Δ T × c × ρ
Q：冷水循環式の冷熱エネルギー量（MJ/h）㨪

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q：ポンプ水量（L/h）

Δ T：温度差（往ﾍｯﾀﾞｰ , 還ﾍｯﾀﾞｰ）（℃）

 

c：水の比熱（1.0×4.186MJ/kg℃）
ρ：水の密度（1.0kg/L）
３．３［全空気式］ Q ＝ q × ΔT × c × ρ

冷熱エネルギー量

３．３．１

Q：全空気式の冷熱エネルギー量（MJ/h）

雪山下面利用q：ファン風量（m3/h）

６月３日から８月31日時点までに得られた取得冷熱
エネルギー量は、表－４に示すとおり、実験Ａは8,664

Δ T：温度差（往ﾁｬﾝﾊﾞｰ , 還ﾁｬﾝﾊﾞｰ）（℃）

MJ、実験Ｂは9,133MJ、実験Ｃは7,603MJ となった。

c：空気の比熱（0.24×4.186MJ/kg℃）

雪山融解量から求めた雪山冷熱エネルギー量に対する

ρ：空気の密度（1.293kg/m3）

取得冷熱エネルギー量の比である有効率は、実験Ａは49％、実験Ｂは54％、実験Ｃは47％となった。図－４‚⃹‛‥•ӕࢽϬ༏⇎⇳∑⇔∞᣽ᚘยܴภࡇ‟‣†•ࢮ⋎⊰⋁⋟⊱～６に取得冷熱エネルギー量の推移を示す。
冷水循環式の実験Ａと実験Ｂ、全空気式の実験Ｃとを比較した場合、実験Ｂの冷熱エネルギー量が多くな‚‿‼‡⁚‛‣‧‫ٳ‬ൢภࡇ‟•†‣‟․†•ᢩ⋎⊰⋁⋟⊱․•‣•‣•‧った。これは、実験Ｂが防水のためのビニールシートにより融解水を滞留させるため、地中温度を低く維持できるためである。また、砕石で埋め戻しているため、採熱管周囲の空隙率が高く水に接しやすかったことから、融解水が浸透する実験Ａより熱伝達が行われやすかった。ただし、実験Ｂは、実験Ａに対し防水のため••‡‥のビニールシートなど資材及び施工に追加費用を要しており、冷熱エネルギー量と有効率に対するコスト検証を行う必要がある。

‚⃹‛‥•

が大きくなるなど大がかりなものとなり、それらの施‡‣

図－４

冷熱エネルギー量（実験Ａ）

ӕࢽϬ༏⇎⇳∑⇔∞᣽ᚘยܴภࡇ‟‣†•ࢮ⋎⊰⋁⋟⊱

また、実験Ｃは、空気を媒体としているため、配管等の資材が冷水循環式のものと比較して、採熱管の径‡‣‡‣‧‡․‫‫‬‪‡‣․‪‡․‚‿‼‡⁚‛‣‧‫ٳ‬ൢภࡇ‟•†‣‟․†•ᢩ⋎⊰⋁⋟⊱

․•

‣•‣•

‧

工にコストを要した。また、採熱管内の結露が原因と思われる計測室内のカビ臭が発生したなどの課題も得ることができた。
表－４
㗄⋡

雪山下面利用න૏ታ㛎㧭ታ㛎㧮

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寒地土木研究所月報№732

2014年５月 ‡‣‡‣‡‣‧‡․‫‫‬

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図－５

冷熱エネルギー量（実験Ｂ）

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計測結果

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図－６

冷熱エネルギー量（実験Ｃ）

３．３．２

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図－７‡‣‧‡․‫‫‬

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‪‡․

冷熱エネルギー量（実験Ｄ）

本実験で雪山表面からでも採熱が可能なことが確認

雪山表面利用

全空気式の実験Ｄの取得冷熱エネルギー量は表－５できたが、融解量が多く、採熱管上部に布設しているに示すとおり、６月３日から７月１日までは2,909MJ、シートの亀裂などの課題も判明した。しかし、雪山造

７月２日から８月31日時点までの取得冷熱エネルギー成後に採熱管を設置できるため、運用時の故障などに量は5,414MJ となった。雪山融解量から求めた雪山冷対しても対応が可能であり、メリットは多い。今後は、熱エネルギー量に対する取得冷熱エネルギー量の比で採熱管の設置位置、採熱管上部シートなどについて、ある有効率は、６月３日から７月１日までは34％、７検討を行いたい。

月２日から８月31日時点までは44％となった。これは、往・還チャンバーの設置が近接していた当初の方式で４．まとめは、還チャンバーより吹き出した空気は、採熱箇所全体に行き渡ることなく、近くに設置した往チャンバー

雪堆積場の雪冷熱利用技術について、実験用雪山をから吸引し、雪山表面で冷やされた空気を十分に吸引造成して実証実験を行った。実証実験では、採熱箇所することができなかったためである。しかし、チャンを雪山の下面又は表面とする方式を検討した。

バーの配置を変更した後、法面上部に配置した還チャ

その結果、雪山下面方式は、冷水循環式の実験Ａ（融ンバーから吹き出した空気は、法面下部に配置した往解水浸透）と実験Ｂ（融解水滞留）、全空気式の実験Ｃ

チャンバーへと循環する空気が採熱箇所全体に行き渡とも安定して採熱することができた。雪山融解量からるようになったことから、有効率が１割程度向上した

求めた雪山冷熱エネルギー量に対する取得冷熱エネル

図－７に冷熱エネルギー量の推移を示す。と思われる。

ギー量の比である有効率は、実験Ａは49％、実験Ｂは54％、実験Ｃは47％となり、実験Ｂの有効率が最も良

表－５

雪山表面利用（実験Ｄ）計測結果

㗄⋡න૏

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かった。これは、実験Ｂが防水シートによって融解水を滞留させるため、地中温度を低く維持できたからでᄌᦝᓟ㔐ጊⲢ⸃㊂O

ある。更に砕石で埋戻すことで、採熱管周囲の空隙率㔐ጊ಄ᾲ㨾㩒㩣㩁㩨㨺㊂Ԙ/,

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が高く水に接しやすかったため、融解水が浸透する実ขᓧ಄ᾲ㨾㩒㩣㩁㩨㨺㊂ԙ/,

験Ａよりも熱伝達が行われやすかったと言える。

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また、雪山表面方式における、全空気式の実験Ｄはㆶ㩋㨶㩧㩔㩨㨺ᐔဋ᷷ᐲ

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採熱可能であったが、有効率は、44％（チャンバー配᦭ല₸ԙ/Ԙ㧑

置変更後）と実験Ａ、Ｂ、Ｃより低かった。
本実験において、採熱箇所（雪山下面、雪山表面）及び採熱方法（冷水循環式、全空気式）による各々の特徴を把握できた。今後は、雪山造成、採熱管布設等のコスト検証を行い、採熱量に対する実験Ａ～Ｄの評価を実施した上で、雪堆積場に適した雪冷熱エネルギーの取得方法を検討する。特に雪山表面方式の実験Ｄは、

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寒地土木研究所月報№732

2014年５月

採熱管上部に布設したシートの亀裂などの課題も得ら

参考文献

れたが、雪堆積場造成後に容易に採熱管の布設ができ、運用中の配管破損、故障に対して修正が可能であるメ

１）永長哲也，片野浩司，山口和哉：雪堆積場の雪冷リットを生かすため、更に効率的に採熱できる配管の熱利用技術に係る基礎実験について、第56回（平設置方法などの検討を行う。また、雪山造成及び採熱

成24年度）北海道開発技術研究発表会、2013.2

管等の施工方法、造成後の雪山のメンテナンス、冷熱

２）美唄自然エネルギー研究会：平成22年度「美唄自取得後のゴミ等の処理など、道路排雪を利用する上で然エネルギー研究会の問題点について整理していく。

年６月

研究活動報告書」、平成23３）本間弘達，浅川勝貴，船木淳，山上重吉，媚山政
良：“雪山”の造り方、第23回寒地技術シンポジ
ウム論文・報告集 pp13-16、2007.12

永長

哲也＊

片野浩司＊＊

山口和哉＊＊＊

EINAGA Tetsuya

KATANO Koji

YAMAGUCHI Kazuya

寒地土木研究所
技術地開発調整監付
寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術地開発調整監付
寒地機械技術チーム
総括主任研究員
技術士（機械）寒地土木研究所
技術地開発調整監付
寒地機械技術チーム
主任研究員

寒地土木研究所月報№732

2014年５月 9