道路融雪施設の効率的制御及び再生可能エネルギーの活用について
山口和哉＊１, 片野浩司＊１, 永長哲也＊１
１．はじめに積雪寒冷地では、冬期間の融雪施設は交通安全の確保

比較の結果、削減ポテンシャルは 30～40％程度とのため必要不可欠なものであり、勾配など道路条件を勘なった。これは仮に融雪面積を 1,000ｍ ２ とすると、案し設置されている。これらの熱源のほとんどは電気で電気料金約 1,480 千円/年、Ａ重油約 14,000Ｌ/年にあり、そのコストが道路管路の大きな負担となっている。

相当する（ほっとタイム 22：11.57 円/kWh、重油発

また東日本大震災以降、節電が必要となっているが、熱量：39.1MJ/L）。

特に北海道のように冬期間に電力使用量のピークを迎え

ここで推計される必要熱量は、凍結防止もしくはる地域では冬期の節電が重要であり、道路融雪施設のよ融雪に必要な熱量である。必要熱量の計算は路面乾り効率的で経済的な維持管理が求められている。

燥状態でも計上（凍結防止の必要熱量は、路面の乾燥、そこで、既存ロードヒーティングの稼働実態を調査し、湿潤に関わらず路面温度 0℃以下で計上）されるため、運転方法別の供給熱量（供給電力量）と必要熱量（降雪

路面乾燥状態を的確に感知し必要熱量を検証するこ量、外気温度、路面温度、風速から推計される融雪や凍とにより、より大きな削減ポテンシャルが得られる結防止に必要な熱量）を検討することで、最小限必要な可能性がある。

熱量を明確にし、融雪施設で活用可能な再生可能エネル

600
合計降雪量（12月～2月）[cm]

ギーについて活用方法の提案を行う。
本年度は、供給熱量と必要熱量を比較するとともに、融雪施設の維持管理手法の提案のため、路面乾燥、日射量、断続運転を考慮した融雪熱量シミュレーションを実施したので報告する。

300
2011
200
100

平年より少ない

平年並

平年より多い00%

図－１

降雪などの気象状況のデータを収集し、供給熱量と必要日最低気温平均（12月～2月）[℃]

熱量推計値の比較を行い、この結果から最大縮減ポテン
シャルを推計した。また必要熱量から、ベース負荷（必要熱量を累積出現率で整理し、融雪期間を通して発生時間の長い必要熱量）の検討を行った。
２．１ 供給熱量と必要熱量
過去の気象条件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した結果を表－１に示す。
必要熱量と供給熱量の比較
201 1年

40%

60%

80%

100%

期間降雪量の気候的出現率（札幌）

-8.0
2012

-7.0

2011

-6.0
-5.0
2013

-4.0
-3.0
-2.0
-1.0

平年より高い

平年並平年より低い0.00%（kWh/m2）

20 12年20%

累積出現率

既存ロードヒーティングの路面状況、供給熱量、風況、項目

2013

400

２．実態調査について

表－１

2012

500

20%

40%

60%

80%

100%

累積出現率

2 013年図－２

最低気温平均値の気候的出現率（札幌）

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

-

-

必要熱量推計値（札幌①）

232

218.7

193.3

必要熱量推計値（札幌②）-238.5-

必要熱量推計値（札幌③）

221.9

-

-

がわかる。このように、気象条件や降雪量が削減ポテン

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%

-

シャルに大きな影響を与える(図－１，２)ため、今後

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%

削減ポテンシャル3ヵ年平均

降雪量と最低気温について過去20年の出現率で比較す
ると、2012年は降雪量が多く、最低気温も低かったこともデータ蓄積が重要である。

41%＊１(独)土木研究所寒地土木研究所 寒地機械技術チーム

２．２ ベース負荷

3/31 までの気象庁アメダス１時間データを用い必要再生可能エネルギーは融雪施設の熱源として活用

熱量を推計した。

することで、環境負荷低減・省エネ効果などが期待シミュレーションの条件として、外気温が低い時されるが、必要熱量の変動に対し迅速に応答（供給熱など、「凍結防止に必要な熱量」が計上されるが、量を増減）することは困難であるため、再生可能エネル「実際は乾燥している」という場合も考えられるたギーによる効果的な供給熱量としてベース負荷を検討しめ、次の３パターンに分けて推計を行った。

た。

1) 全時間：路面乾燥を考慮せずに全ての時間についこ こ で は、以 下 の 方法に よ り 必要熱 量 を 整理し た 。て算出。

1) 必要熱量の出現率は気象条件によって異なるため、

2) 降雪終了後 48 時間以内：降雪終了後 48 時間後以

札幌のアメダスデータ過去 6 年分及び実態調査を行

降は路面が乾燥しているものとして、必要熱量を推った 3 地点 3 年分のデータから、各年度の 12 月～2計しない。

月の必要熱量を推計した。

3) 降雪終了後 24 時間以内：降雪終了後 24 時間後以2) 必要熱量推計値を各年度、累計出現率で整理した。

降は路面が乾燥しているものとして、必要熱量を推

２3) 0W/ｍ は除外して累積出現率を整理した。

計しない。

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－３に示す。
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Ｒ ２ ≒0.92）。
これは、累積出現率の高い側にベース負荷を設定

表－２
項目

札幌

旭川

帯広

釧路

274

203

436

358399

降雪後48時間以内

221

265

183

400

149

156

降雪後24時間以内

183

247

164

345

8283

無駄となる熱量が多くなることを示す。

500

全時間
期間必要熱量推計値（kWh/m2 ）50.0％）設定した。

函館

239

600をベース負荷として 3 パターン（16.6％、33.3％、小樽（kWh/m2）

全時間

すると、年間を通して必要な熱量に対して、急激にこのことから、出現率が 50%以下の必要熱量推計値

期間必要熱量推計値

降雪後48時間以内

降雪後24時間以内

400

300

200

1000
2008年度

2009年度図－４

2010年度

2011年度

2012年度

5ヵ年平均

期間必要熱量推計結果(札幌)

600

全時間

降雪後48時間以内

降雪後24時間以内

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

期間必要熱量推計値（kWh/m2 ）

500

400

300

200

1000

ベース負荷 16.6%(47W/m2)

2008年度

2009年度図－５

2010年度

2011年度

2012年度

5ヵ年平均

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

図－３

必要熱量の累積出現率推計

３．融雪熱量シミュレーション

期間必要熱量推計値（kWh/m2）

500

400

300

200

100３．１

主要都市ごとの路面乾燥を考慮した必要熱量シ0ミュレーション
道内主要都市の気象条件から、必要熱量のシミュ

2008年度

2009年度図－６

2010年度

2011年度

2012年度

5ヵ年平均期間必要熱量推計結果(釧路)レーションを行い、地域ごとの特性を把握した。対図－４～６より、旭川市が札幌市と比べて数値が象都市は札幌、小樽、函館、旭川、釧路、帯広の６大きくなっているがこれは降雪が多く気温が低いた都市とし、2008～2012 年の 5 カ年分の 12/1 からめである。

釧路市は降雪量が少なく、外気温度が低いため、乾燥られるが、電気式では電源のONかOFFの制御となる。

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（ON：250W/m2、OFF:0 W/m2）これ以外の熱供給の方法とる。このような気象条件の都市では、施設の制御方法にしては、断続運転が考えられる。1時間に10分×3回の供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給とすれば1時間で125 W/m2と同様の熱供給をしたことにる。

なる。

３．２ 日射量を考慮した供給熱量シミュレーション

供給熱量

日射利用後の供給熱量

250.0

太陽光は最大 1000W/ｍ２の熱エネルギーを持っており、路面温度の上昇、乾燥路面の発生が確認されている。このことから融雪施設の運転に日射を考慮することによる

200.0

面積あたり熱量［W/m2］

既存融雪施設の実態調査からも日射による融雪の促進や150.0

100.0

50.0

省エネのポテンシャルは高いと思われる。

0.0

ここでは、以下の条件で供給熱量の削減効果を検証し図－７た。
1) 気象データから 1 時間ごとの日射量を整理した。
2) 雪のアルベド（反射率）を 0.5 と想定し、熱取得量日射量シミュレーション結果（2013 年度）

３．３ 断続運転を考慮した供給熱量シミュレーション
既存融雪施設では、融雪専用電力である「ほっとタイは日射量の 1/2 とした。

ム 22」を活用することが多いが、電力契約上 16:00 から

3) 連続的な日射量等の計測データが揃っている川沿ﾛｰ

21:00 の間に 15 分×8 回（5 時間中 2 時間）の断続運転

ﾄﾞﾋｰﾃｨﾝｸﾞの観測結果 2 年分（12/26～2/28）を推計した。

を行っている。路面状況把握や、路面温度の計測結果

4) 日射量を考慮した供給熱量を 1 時間ごとに新たに設(図－８)から、この時間帯に路面凍結が発生する頻度は定し、既存の供給熱量と比較することにより削減ポテン少ないと思われる。このことから道路交通の安全性を損シャルを推計した。新たに設定する日射量を考慮した供なわない程度に別の時間帯でも断続運転を行うことが省

給熱量は表－３のとおりとした。

エネに有効と考えた。

表－３

今回、以下の条件で供給熱量の削減効果を検証した。

日射量を考慮した供給熱量区分1) 調査期間中の 16:00～21:00 は既に断続運転を行って区分

日射を考慮した供給熱量

必要熱量＜供給熱量+日射取得熱量

必要熱量-日射量（日射で賄えない分を熱供給する）

必要熱量＞供給熱量+日射取得熱量

既存の供給熱量と同様（実際の供給分や250W/m2は超えないものとして想定するため）

必要熱量 ＜日射取得熱量0（日射のみで対応可能と想定）いるため、この時間帯以外を削減効果の推計対象とした。
2）連続的な必要熱量、路面温度等の計測データが揃っている川沿ﾛｰﾄﾞﾋｰﾃｨﾝｸﾞの観測結果 2 年分を推計した。
3) 必要熱量＜供給熱量となる時間帯に断続運転を行う

5) 日射量による省エネ効果ポテンシャルの推計であり、と仮定し、1 時間ごとの削減可能な熱量を推計した。

建物・車輌による影の影響は考慮していない。

4) 推計の結果、供給熱量が必要熱量を下回る時間につ26) モデルとして、融雪面積 1,000m の場合の環境性・経いては、断続運転により、融雪不可や路面凍結が発生し済性について比較した。なお、電力単価は 12 円/kWh、ないようにするため、元の供給熱量とした。
断続運転のパターンは表－５の３パターンとした。

た。（電力単価は「ほっとタイム 22」。2013.11 北海道
表－４

日射量を考慮した供給熱量シミュレーション結果
項目

実測値

日射利用

2832.3538.02

810.0

574.2

2012合計（MJ/m ）2013合計（MJ/m ）平均（MJ/m2）

821.1

556.1

削減率32%

削減料金(千円）

884

CO 2削減効果（t-CO2/年）

温度［℃］、風速［m/s］
温度［℃］、風速［m/s］

電力聞き取り）

気温（℃）

面積あたり供給熱量
250

6.0

200

4.0
2.0

150

0.0
‐2.0
100

‐4.0
‐6.0

50

‐8.0
‐10.0
‐12.0

00:00

6:00

図－８

推計の結果、2 年平均の削減額は 884 千円/年、二酸化本推計では、日射を取得可能な場合は供給熱量を小さ

路面温度（℃）

8.036

炭素削減効果は 36t-CO2/年となった。(表-４）

風速（m/s）

10.0

12:00

18:00

0:00

断続運転時の路面温度(川沿 RH)

表－５

断続運転の停止パターン

番号

運転率

停止率

1時間あたりの停止する時間

備考①0.50.530分相当

くすることを想定しており、温水式ﾛｰﾄﾞﾋｰﾃｨﾝｸﾞでは流②0.60.424分相当

10分×3など
ホットタイム22と同様量制限（インバーター制御）などによる熱量抑制が考え③0.80.212分相当

6分×2など2
面積あたり供給熱量［W/m面積あたり供給熱量［W/m2］ ］

電力による二酸化炭素排出係数は 0.485kg-CO2/kWh とし推計の結果、２年間平均の削減額は、344～529 千円/年、二酸化炭素削減効果は 14～21t-CO2/年となった。
今後は、実証実験や既存施設の計測の積み重ねにより、路面状況に応じた制御を行う必要があり、センサーの適切な設置が欠かせない。
今回、現地調査を行った施設については適切とは言い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難い状況が散見された。あらためてセンサーの設置状況とが課題となる。その際、前項で行った日射量の活用との把握と、状況に応じた路面の部分補修が望まれる。の組み合わせ（日射時に強制的に断続運転を行う制御なまた、センサーの設置位置が路肩近傍にあって、そのど）も有効と思われる。

上に堆雪したり、車両走行部に設置されているところも表－６あるなど、センサーの設置位置が統一されていない。こ

断続運転を考慮した供給熱量シミュレーション結果
項目
22012合計（MJ/m ）
2実測値

①②③

832.3

661.9

663.8

722.0

れは、施設の誤動作やセンサー故障の原因になるため、最適なセンサーの設置方法を検討する必要がある。

810.0

663.1

663.5

713.9

路面に直接設置するセンサー以外に路面の補修作業等

821.1

662.5

663.6

718.0に影響されない非接触型センサーを導入することも対策

削減率

19%

19%

13%

削減料金(千円）

529

525

344

CO2削減効果t-CO2/年）

2121

14

2013合計（MJ/m ）2平均（MJ/m ）の一つである。ただし、非接触型センサーを融雪施設制御に採用している事例が少ないため、今後のデータ蓄積・評価、さらにはシステム最適化及びコストの検討を４．維持管理上の課題行う必要がある。

北海道では、轍掘れ解消のため、部分的あるいは面的に路面の薄装作業により道路補修を実施している。この５．まとめ補修は融雪施設設置箇所でも実施される。そこで、融雪・供給熱量の削減ポテンシャルは 30～40％程度であ施設の路面上に設置されている路面温度センサー、路面ることがわかった。

湿潤（水分）センサーの設置状況について調査した。

・必要熱量は、地域により大きな差があり、降雪が調査の結果、薄装作業によりセンサーが不適切な設置状態になっている箇所が見られた。
写真－１（左）は、路面レベルに設置されているセンサーで、除雪時に破損する可能性は少ない。

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な適切な断続運転を検証する。
・路面センサーの現地調査で適切とは言い難い設置状況が散見された。これは、融雪施設の誤動作やセンサー故障の原因となるため、最適なセンサー設置方法の検討が

写真－１

路面センサーの設置状況①必要である。

写真－１（右）は、薄装作業によりセンサー表面が路面レベル以下になった状況で、融雪水が溜まり舗装表面は乾燥した状態でも、水分センサーが溜まった水を検知参考文献する可能性がある。また、路面温度についても溜まり水

1) 北海道開発局：道路設計要領、第５集電気通信施設、第４の温度を検知する可能性がある。

章ロードヒーティング設備、H242）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、H19.93）地表面に近い大気の科学：近藤純正
4）気象庁

写真－２

路面センサーの設置状況②

写真－２（左）は、センサーが路面レベル以上になった状況である。除雪車などで、センサーが破損する懸念がある。
融雪施設の省エネルギー化にあたっては、気象条件やアメダスデータ