技術資料

融雪施設の効率的な再生可能エネルギー活用について
山口和哉＊

１．はじめに

表－１

積雪寒冷地特別地域である北海道ではスパイクタイ
ヤの使用が法律により規制された段階で多数のロードヒーティングが設置された。そのほとんどの熱源には電気が使われており、電気コストが除雪費を圧迫するほどの大きな負担となっている。また、東日本大震災以降の電力不足による節電も必要となっており、北海道のように冬期間に電力使用量のピークを迎える地域

哲也＊＊ 片野永長浩司＊＊＊

調査項目（温水式 RH）

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が緩いなどの道路条件を勘案しロードヒーティングを

超音波流量計は熱交換機へ分岐する前に設置し流量を停止したり、凍結防止剤の散布強化に切り替えている計測した。温水温度は既存センサーを活用しデータを箇所もある。しかし、散布車の台数や融雪効果の持続分岐収集した。これらの流量、温水温度からロードヒ性、道路条件等からロードヒーティングを停止できなーティングへの供給熱量を把握した。

い箇所も多数存在する実態にある。
そこで、既存ロードヒーティングの路面状況、供給熱量、風況等のデータを収集し、現状の供給熱量に対する融雪状況と気温や降雪量、路面温度等のデータから導き出される必要熱量を比較し、必要最低熱量を検討するとともに、積雪寒冷地のロードヒーティングで利用可能な再生可能エネルギーの偏在性、熱供給の安

写真－１

データロガー

写真－２

超音波流量計定性、技術的課題、コストの評価を行い、再生可能エネルギー活用の検討を行った。

２．２

電気式ロードヒーティング調査

電気式ロードヒーティングの実態調査場所として、
２．融雪状況の現地実態調査

札幌市内のロードヒーティング（以下「電気① RH」という）を選定した。本施設は機械室にて6,600V の高札幌市内３箇所のロードヒーティングにおいて、融圧で一括受電し上下線それぞれ９ブロックに分岐し制雪状況調査を実施した。調査したロードヒーティング御を行っている。対象面積は7,826m2である。調査項の方式は「温水式」と「電気式」で、外気温度・湿度、目を表－２に示す。

日射強度、風向風速、積雪深、雪密度、路面温度、融雪状況、消費電力量のデータ収集をした。
２．１

温水式ロードヒーティング調査

温水式ロードヒーティング（以下「温水式 RH」という）の実態調査として、札幌市内の国道に設置されている施設を選定した。調査項目を表－１に示す。
本施設は都市ガスボイラーを熱源としており、延長230m、幅16m の上り坂で対象面積は3,680m2である。
寒地土木研究所月報№714

2012年11月 表－２

調査項目（電気① RH）

⺞ᩏ㗄⋡⺞ᩏᣇᴺ஻⠨᷷Ḩᐲ ᳇⽎᷹ⷰⵝ⟎෸䈶᳇⽎ᐡ䉝䊜 ᳇⽎᷹ⷰⵝ⟎䈲⃻࿾⸳㘑ᴫ 䉻䉴䊂䊷䉺䇮㪪㪥㪜㪫䊙䊦䉼䉶䊮 ⟎䇯 㪪㪥㪜㪫䈲⼾ᐔ඙࿯ᧁ䉶䊮䉺䊷ᣣ኿
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データロガ－は機械室内の制御盤内に設置した。

イラー）からロードヒーティングへ供給する総熱量で気象観測装置はコンクリートブロックに固定した後、ある。なお、以下の式から求めた熱量を、ロードヒーティング面積で除し、１m2あたり供給熱量とした。

施設敷地内に設置した。
電気① RH では道路監視用カメラが設置されており
本調査ではロードヒーティング部と非ロードヒーティ

供給熱量（kW）＝（温水往き温度［℃］－温水還り温度［℃］）

ング部の境界を確認できる映像を利用した。

×温水流量（L/min）
×比熱［KJ/kg・℃］/60（s/min）
供給熱量は、観測期間を通して200W/m2程度で推所のロードヒーティング（以下「電気② RH」）におい移し、平均199W/m2、最低153W/m2、最高246W/m2て調査を実施した。電気② RH は29箇所の配電盤で低であった。日平均の供給熱量は61,920MJ である。

温水式 RH 計測結果

温水式 RH における各種計測値の12月～２月の推移を整理した。整理する項目は、外界気象条件（気温、風速、降雪強度）、路面温度、供給熱量とした。
気象データは現地に設置した気象観測装置を用いるものとし、欠損・異常値などについては、SNET、気᷷᳓ᓔ

図－４㪌㪇㪋㪌㪋㪇㪊㪌㪊㪇㪉㪌㪉㪇㪈㪌㪈㪇㪌㪇᷷᳓ㆶ

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２．３．１

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計測結果

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㪋㪇㪇㪊㪌㪇㪊㪇㪇
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２．３

㕙Ⓧ䈅䈢䉍ଏ⛎ᾲ㊂㪲㪮㪆㫄䋲㪴ている。調査項目は、電気① RH に同じ。

ᵏᵐᵍᵐᵕᴾ
ᵏᵐᵍᵐᵗ

圧受電し、それぞれのブロックでヒーティングを行っ᷷᳓ᓔ䇮᷷᳓ㆶ㪲㷄㪴

電気式ロードヒーティング調査箇所としてもう１箇供給熱量の推移（温水式 RH）

象庁アメダスデータで補完した。
（1）外界気象条件

２．３．２

電気式 RH 計測結果

外気温は平均－3.9℃、最低－11.7℃、最高6.6℃で電気① RH 及び電気② RH における、各種計測値のあり、風速は平均1.3m/s、最高6.2m/s、降雪強度は最推移を整理した。整理する項目は、外界気象条件（気温、大7.0㎝ /h（2012年１月28日）であった。期間最大日降風速、降雪強度）、路面温度、供給電力量とした。

雪量は2011年12月３日、2012年１月28日の17㎝ /day、（1）外界気象条件

期間合計降雪量は236㎝であった。

電気① RH における外気温は平均－4.0℃、最低－（2）路面温度13.0℃、最高7.4℃であり、風速は平均1.4m/s、最高

路面温度及び外気温、日射量、風速の推移を図－３5.3m/s、降雪強度は最大9.0㎝ /h（2011年12月29日）でに示す。気温の上昇後、若干の時間遅れの後に路面温あった。また、期間最大降雪量は2011年12月26日の21度も上昇している。また、外気温が低い状況であって㎝ /day、期間合計降雪量は289㎝であった。

も、日射量が大きい場合は路面温度が上昇する傾向に一方、電気② RH では、外気温は平均－4.9℃、最ある。観測期間では平均8.3℃、最高15.1℃であった。

低－18.0℃、最高5.8℃であり、風速は平均1.3m/s、最ᣣ኿㊂᳇᷷㘑ㅦ〝㕙᷷ᐲ㪈㪇㪎㪇㪇㪍㪇㪇㪌㪇㪇㪋㪇㪇㪌㪇㪄㪌

高8.5m/s、降雪強度は最大8.0㎝ /h（2012年１月28日）

㪈㪇㪇㪇㪐㪇㪇㪏㪇㪇であった。また、期間最大降雪量は2012年１月28日のᣣ኿㊂㪲㪮㪆㫄䋲㪴᳇᷷㪲㷄㪴䇮〝㕙᷷ᐲ㪲㷄㪴䇮㘑ㅦ㪲㫄㪆㫊㪴㪈㪌

33㎝ /day、期間合計降雪量は454㎝であり、電気①RH や温水式 RH と比較して雪の降り方は多くなっていた。なお、１時間前の積雪深との差の正値を降雪量（2）路面温度

図－３

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路面温度及び外気温、日射量等の推移（温水式 RH）（3）供給熱量
観測期間の熱量の推移を図－４に示す。温水往、温水還、温水流量の計測地点は一次側であり、熱源（ボ24

電気① RH の路面温度及び外気温、日射量、風速の推移を図－５に示す。温水式同様、外気温の上昇後、若干の時間遅れの後に路面温度も上昇している。また、外気温が低い状態であっても、日射量が大きい場合は路面温度が上昇する傾向にある。
観測期間では平均3.8℃、最低－1.0℃、最高13.3℃
寒地土木研究所月報№714

2012年11月

・電力の契約方式により、１日あたり２時間程度電力᳇᷷䌛㷄䌝䇮〝㕙᷷ᐲ㪲㷄㪴䇮㘑ㅦ䌛㫄㪆䌳䌝㪈㪌ᣣ኿㊂᳇᷷㘑ㅦ䇭〝㕙᷷ᐲ㪈㪇㪌㪇

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㪇

図－７

供給熱量の推移（電気② RH）

電気② RH の運転実績の詳細を図－８に、これらと同じ日の電気① RH の運転実績を図－９に示す。図中には面積あたり供給熱量と降雪強度及び降雪センサーの ON-OFF（1－0）を示している。また、電気① RH

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図－５

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㪇

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供給が停止する。

㔚ᵹ㔚ᵹ 㪲㪘㪴の変動が大きい）。

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・温水式と比較して制御が多く働いている（供給熱量㕙Ⓧ䈅䈢䉍ᾲ㊂㪲㪮㪆㫄䋲㪴

要因としては以下が考えられる。

㪉㪌㪊㪇㪇

ᵐᵍᵐᵐᴾᵏᵘᵎᵎᴾ
ᵐᵍᵐᵐᴾᵏᵏᵘᵎᵎᴾ
ᵐᵍᵐᵐᴾᵐᵏᵘᵎᵎᴾᵐᵍᵐᵑᴾᵕᵘᵎᵎᴾᵐᵍᵐᵑᴾᵏᵕᵘᵎᵎᴾ
ᵐᵍᵐᵒᴾᵑᵘᵎᵎᴾ
ᵐᵍᵐᵒᴾᵏᵑᵘᵎᵎᴾ
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ᵐᵍᵐᵖᴾᵏᵕᵘᵎᵎᴾ
ᵐᵍᵐᵗᴾᵑᵘᵎᵎᴾであった。温水式と比較して路面温度の変動が大きい

路面温度及び外気温度等の推移（電気① RH）

では路面温度も追記している。
電気② RH の実績を見ると、降雪が無く、気温の高くなる日中は制御により運転を停止している。

（3）供給電力量

一方、電気① RH では昼間に設計発熱量である250

・電気① RH：ヒーティング全体の供給電力量の測定

W/m2以下で推移している部分が多く見られる。これ

・電気② RH：１ユニット分の供給電力量の測定であることから、電気① RH ではシステム全体の供は、ユニットによって運転の稼動 ･ 停止状況が異なる給電力量を把握し、電気② RH ではその補完材料としため、全体としては250W/m2以下の供給熱量になるて１ユニット分の変動を把握する。両システムとも電ものと考えられる。
どちらも降雪強度とセンサーの ON-OFF は一致し熱線を採用しているため供給電力量を供給熱量とし、ており、降雪が無く、センサーが ON になっている場それぞれ算出している。
2

電気① RH は、観測期間中100W/m ～最大250W/合は、現象としての降雪はあるものの、降雪強度が１22cm/h 以下となる場合が考えられる。

m 程度で推移しており、平均184W/m 、最高258W/2

また、電力停止時間帯（16時～ 21時）で路面温度がm であった。日平均の供給熱量は94,779MJ である。
22～最大250W/m 程度で推移し、平均160W/m 、最高低下し、０～１℃付近まで低下している時間も発生している。

256W/m2であった。
電気① RH, 電気② RH ともに16時～ 21時頃に面積あたり供給熱量が低下しているが、これは、融雪電力の契約上、1日に２時間（15分×８回）電力供給が停止するためと考えられる。供給熱量の推移を図－６、図－７に示す。

㕙Ⓧ䈅䈢䉍ଏ⛎ᾲ㊂㪲㪮㪆㫄䋲㪴㪊㪇㪇

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寒地土木研究所月報

供給熱量の推移（電気① RH）№714

2012年11月 ᵐᵍᵐᵓᴾ

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図－８

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一方、電気② RH では、観測期間を通じ100W/m

㕙Ⓧ䈅䈢䉍ଏ⛎ᾲ㊂

電気② RH 運転実績2/21㪦㪥㪄㪦 㪝㪝䋨㒠㔐䋩 䋪 㒠㔐ᒝᐲ㪉㪌㪇㪉㪇㪇㪈㪌㪇
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図－９〝㕙᷷ᐲ㪈㪉

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電気① RH 運転実績2/2125

２．４

ルギー化が可能であると考える。具体的な制御方法は供給熱量と必要熱量の整理

計測期間中における供給熱量と、気象条件から算出次のとおりである。

した必要熱量を表－３及び図－10、図－11に示す。試・日射条件を制御因子に追加算した必要熱量は供給熱量の60 ～ 90％であり、制御・タイマーによる断続運転の実施や、管理による供給熱量の低減効果が見込まれる。

・機械除雪を前提とした部分ヒーティングの実施

なお、図－10及び図－11は１時間ごとの熱量として（轍部のみ）おり、時間データでは必要熱量が供給熱量を超え、残・画像制御の実施

雪や凍結が発生している時間帯も見られる。

（事業所やマンション等の駐車場においてコス

表－３

観測期間の面積あたり供給熱量と必要熱量㗄⋡᷷᳓ᑼ䋨㪮㪆㫄䋲䋩㔚᳇ᑼ䋨㪮㪆㫄䋲䋩㽲ᔅⷐᾲ㊂㪉㪏㪊㪌㪋㪈㪍㪉㽳ଏ⛎ᾲ㊂㪋㪎㪎㪋㪋㪎㪇㪈㽲䋯㽳ഀว㪌㪐㩼㪏㪐㩼ଏ⛎ᾲ㊂

ᔅⷐᾲ㊂

ト縮減のため、遠方画像運転（手動）を導入する事例が増えている。）
・走行車両数が多い場合の通電停止（自動車の輻射熱の活用）・降雪強度が大きい場合の通電停止（積雪・圧雪状態では、あえて融雪せず除雪と連携し効率的に融雪する機能的に融雪する。）
２．５．２

温水式ロードヒーティングの維持管理

降雪や路面温度によらず、ほぼ一定の熱量が供給さ㧔᷷᳓ᑼ㧕ᤨ㑆ᒰ䈢䉍ᾲ㊂㪲㪮㪆㫄㪉㪴300

れている。電気式以上に新たな条件を付加した中で、条件に追従した運転制御を行う必要がある。ただし、250

電気式に比べ大きな施設になること、温度の立ち上が200りが遅くなり制御が難しいことや、ボイラーやポンプ150の発停を頻繁に繰り返すことで機械寿命の低下につな100がるためインバータによる制御が必要となる。また、

50

電気式と同様に、日射量による制御、機械除雪を前提0とした部分ヒーティングの実施・画像制御も有効であると考える
２．５．３

㪈᦬㪉㪍ᣣ ᤨ㑆䊂䊷䉺

図－10

供給熱量と必要熱量（温水式 RH）

安全性の確保今後の課題として「走行安全性」と「省エネルギー化」の両立があげられる。走行安全性の確保では、路ଏ⛎ᾲ㊂ᔅⷐᾲ㊂㧔㔚᳇ᑼ㧕ᤨ㑆ᒰ䈢䉍ᾲ㊂㪲㪮㪆㫄㪉㪴300

面の再凍結の問題がある。今後は実証実験を行いながら分析・評価する必要がある。

250

再凍結の回避方法として、低負荷、例えば単位面積200あたり150W/m2程度の出力で連続運転し、気温や路150

面温度、降雪や凍結の状況により高負荷運転に切り替100える方法がある。この場合、低負荷運転時の熱源に再50

生可能エネルギーを採用することで、経済性、環境性0に優位性を見いだせる可能性がある。
㪈᦬䋲䋶ᣣ ᤨ㑆䊂䊷䉺

図－11
２．５

供給熱量と必要熱量（電気① RH）

維持管理・制御方法の検討

２．５．１

電気式ロードヒーティングの維持管理

３．再生可能エネルギー利用技術に関する調査
融雪施設に導入が考えられる再生可能エネルギー及び未利用エネルギーとして、太陽熱（集熱パネル）、温必要熱量に応じた制御を行っているが、電力会社と度差（地中熱や河川熱、温泉熱等）、バイオマス、地域の契約で停止している時間帯や晴天時等の融雪状況を廃熱（変電所、地下鉄、ビル換気、下水等）等がある。

踏まえると、一歩踏み込んだ制御を行うことで省エネ

これらのエネルギーについて、地域的な遍在性、供給26

寒地土木研究所月報№714

2012年11月

量の安定性、コスト等から総合評価を行い、融雪施設への適応性を検討した。

定発熱の電熱ヒーターを用いて加温し、一定温度上昇

評価結果を表－４に示す。
表－４

試験方法は採熱孔から汲み上げられた循環液を、一した循環液を採熱孔内に送水した。送水量は、流量計

再生可能エネルギーの総合評価᷷ᐲᏅ䉣䊈䊦䉩䊷㗄⋡ ᄥ㓁ᾲ䊋䉟䉥䊙䉴࿾ਛᾲ ᴡᎹᾲ ਅ᳓㆏ᾲ ᷷ᴰᾲ ᄌ㔚ᚲឃᾲ 䊎䊦ឃᾲ஍࿷ᕈ䂾 䂾 䂦 䂾 䂦 䂦 䂾 䂾቟ቯᕈ䂦 䂾 䂾 䂦 䂾 䂦 䂦 䂦ᛛⴚ⊛⺖㗴 䂦 䂾 䂦 䂦 䂾 䂦 䂦 䂦䉮䉴䊃䂦 䂦 䂦 䂦 䂾 䂦 䂦 䂾✚ว⹏ଔ ⦟ ఝ ⦟ ⦟ ఝ ⦟ ⦟ ⦟で一定になるように調節した。孔内部で熱交換し、戻ってきた循環液はさらに電熱ヒーターで一定加温され、孔内部へ送水される。
このように、採熱孔と電熱ヒーター間を循環することにより、次第に循環液の温度は上昇する。この温度上昇の状況として、採熱孔の出入り口温度をデータロガーで自動収録しモニタリングした。このときの温度上昇曲線は、その地盤特有の物性値と密接に関係する。
これにより、採熱孔を設置した地盤の熱伝導率を求めた。TRT の概念図を図－12に示す。

各エネルギーの特徴を考慮し、前述の検討事項に技術的課題、コストの定性的評価を加え評価した。評価の結果は表－４のとおり地中熱利用と温泉熱利用の優位性が高い結果となった。しかし、温泉熱の利用は温泉地など一部の地域に限られるため汎用性が低い。
本検討では、地中熱の有効性について調査した。
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４．再生可能エネルギー（地中熱）の活用検討
図－12

地中熱の有効性及び採熱能力を確認することと、地質による採熱量の変化や地中に与える影響等のデータ収集及び採熱孔の掘削工法について寒地土研構内で試験を行った。

４．３

TRT 概念図

熱応答試験結果

熱応答試験の結果は表－５に示すとおり、採熱孔（60m）の平均有効熱伝導率（λ s）は3.15W/（m・K）であ り、 採 熱 孔（110m）の 平 均 有 効 熱 伝 導 率（λs）は４．１1.81W/（m・K）となった。この値は削孔深度とは逆

採熱孔掘削

地中熱利用の大きな問題点であるイニシャルコスト
高の要因である採熱孔掘削については、ソニックドリ転したデータであり、なおかつ60m の値は、通常の北海道でのλ s の２倍程度の伝導率である。

ル工法を用いて実施した。本

この原因は、寒地土研構内の地質に関係するもので、工法は回転と振動を直接ビッ

豊平川の伏流水により地下20m ～ 50m にかけて水をトに伝達させて掘進する工法

多く含む玉石混じり砂礫層が分布しており、このため、で、掘削孔径はφ179.0mm と60m 孔の平均有効熱伝導率が大きな値となったもの

し、ダブル U 字採熱管が挿入

表－５可能なものとした。掘削深度

㗄⋡は60m と110m である。
掘削作業は60m で約１日、110m でも２日で完了した。
写真－３
４．２

掘削作業

熱応答試験（TRT：ｻｰﾏﾙﾚｽﾎﾟﾝｽﾃｽﾄ）

採熱孔を設置した地盤の熱特性を事前に把握する方法として、一定熱量供給による試験である熱応答試験（Thermal Response Test、 以 下「TRT」 と い う ）が一般に用いられている。
寒地土木研究所月報№714

熱応答試験による地盤の平均有効熱伝導率

2012年11月 ᢙ୯⸥ภන૏ណᾲሹᷓᐲ㪟䌭⸃ᨆ඙㑆䋨⋥✢ㄭૃ඙㑆䋩㪄䋭㪈㪉ᤨ㑆ᓟ䌾
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と推測される。110m 孔の60m 以深はシルト層が多く、等がある。

熱伝導率は抑えられたものと考える。今後は地中温度

今後はこれらの管理手法について検討を進めること

計測を実施しながら、60m 以深の蓄熱効果や、冬期で、効果的な維持管理方法や制御方法を確認していく。

間の採熱深度の使い分け等の調査を実施していく。

また、採熱量が小さい再生可能エネルギー活用については、凍結防止の対応のみを行うものとし、融雪時４．４は、ガスボイラーの熱を投入する等のハイブリット化

地中温度計測60m 及び110m の各深度における地中温度の推移を確認するため、採熱管挿入時に熱電対を各深度に設置により経済性と安全性、環境性も考慮した方法も検討していく。

している。地中温度は、10℃～ 13℃で安定している。

北海道における再生可能エネルギーについては、温最も高い温度は、採熱孔（110m）の50m に設置した熱泉熱や地中熱の有効性が見られた。しかし、温泉熱に電対（ch8）であり13.0℃前後をキープしている。

ついては、地域遍在性があり活用できる地域が限られる。地中熱については、北海道では地下水量が多く温度も10℃前後と安定していることから、遍在性や熱供５．まとめ給の安定性には問題がない。イニシャルコトスの問題
融雪施設の現地実態調査では、外気温や降雪量によはあるが、利用可能な再生可能エネルギーである。

り路面の状況は圧雪、凍結、乾燥とさまざまである。

地中熱の試験として採熱孔を設置し、採熱試験を行フル稼働でも融雪が間に合わず圧雪や凍結状態となった結果、杭の採熱量には、杭の深さより、地下水のる場合もあることが確認できたが、融雪施設の実供給影響が大きいことが確認できた。今後は、夏季蓄熱の熱量と計算により算出した必要熱量を比較すると、供影響や、冬季の熱採取量等について調査を実施してい給熱量が必要熱量を大きく上回る場合があることもわく。

かった。
今回の調査地域の気象は20年平均で見ても降雪量が

参考文献

少なく、気温が極端に低い傾向が確認されていることから、今後もデータの蓄積は必要であるが、制御方法

１）北海道開発局：道路設計要領、第５集電気通信施等を見直すことで省エネルギー化が可能であると考え設、第４章ロードヒーティング設備、H24

る。具体的な制御方法としては

２）経済産業省：エネルギー白書2010年版、H22.8

・日射量の制御因子追加

３）NEDO：北海道新エネルギーガイドブック2009・タイマー通電制御

４）北海道大学地中熱利用システム講座：地中熱ヒー・轍部ヒーティング

トポンプシステム、H19.9・画像制御

山口和哉＊

永長

哲也＊＊

片野浩司＊＊＊YAMAGUCHI Kazuya

EINAGA Tetsuya

KATANO Kouji

寒地土木研究所
技術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
技術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）

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