2022.11.30～ 12.2

第 38 回 寒 地 技 術 シ ン ポ ジ ウ ム

報告論文発表北海道の未利用熱活用に資する高熱伝導舗装を用いた無散水融雪
Snow melting without sprinkling water using high-heat-conductive pavement that contributes to theutilization of unused heat in Hokkaido

美寺寿人¹，佐伯竜彦²,岡田明也³，野本孝史⁴，浅野宏⁵

1 Hisato MITERA，²Tatsuhiko SAEKI，³Akiya OKADA，⁴Takashi NOMOTO，⁵Hiroshi ASANO¹東邦産業（株）, ²新潟大学，³太平洋セメント（株），⁴エヌシー（株），⁵新潟太平洋生コン（株）
１ Toho Sangyo Co., Ltd. ，２ Niigata University ，３ Taiheiyo Cement Co., Ltd.,

１．はじめに４ NC Co., Ltd.,

５ Niigata Taiheiyo Namakon Co., Ltd.

幅に向上することで、必要な設計温度を低くすることがでこれまで北海道や多積雪地における無散水融雪施設では、必要な放熱量（設計放熱量）が大きいために、下水熱や地き、未利用熱の活用ができます。その理由は、後述の２．
２（１）において、詳細に記述します。

中熱などの低温度の熱エネルギーを利用することが難しいと言われてきました。一般的に、コンクリ―トの熱伝導率は 1.6W/m·K として設計上取り扱われています。
本論文では、この値を 2 倍、3 倍に向上し、任意の熱伝導率にコントロールする試験内容と、このことにより北海道での未利用熱の活用ができることを示すとともに、これまで舗装体の熱伝導率を「定数」として取扱って、ロードヒーティングの施設設計が行われてきましたが、「変数」として取り扱うことができることで、施設設計の自由度が

図－1 ロードヒーティング断面模式図

広がり、全体最適な設計をすることが可能になることを報告します。

（２）コンクリートの骨材に着目¹
舗装材であるコンクリートの骨材として、化学的に安定２．熱伝導率をコントロールする意義かつ高い熱伝導性を有する酸化アルミニウム（Al₂O₃）（以２．１ アルミナを用いた高熱伝導コンクリート下「アルミナ」と呼ぶ）に着目しました。

（１）熱伝導率向上の必要性
無散水融雪は、図－1 のロードヒーティング断面模式図のように、舗装体内に設置された放熱管内に加熱された不凍液や地下水などを流し、その熱エネルギーが、放熱管から舗装体に熱伝導して路面が温められることにより、路面の雪を融雪する仕組みとなっています。
これまで北海道や多積雪地における無散水融雪施設では、必要な放熱量（設計放熱量）が大きいために、低温度である下水熱や地中熱などの再生可能熱エネルギーの温度だけでは、不凍液を必要な設計温度に温めることができず、不凍液を設計温度まで温めるためにヒートポンプや化石エネルギーの利用に頼らざるを得ないと言われてきました。
この課題を解消する方法として、舗装体の熱伝導率を大

写真－1 使用したアルミナ骨材

美寺寿人（国立研究開発法人防災科学技術研究所 客員研究員）（東邦産業株式会社）〒951-8124 新潟市中央区医学町通 2 番町 10 番地１

tel:025-228-0168

fax:025-228-2383

e-mail:hisato@tohos.co.jp

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報告論文発表汎用的なアルミナは、資源的に埋蔵量が豊富なボーキサイトを原料に、抽出精製されており、安価に大量生産できることから産業分野で広く使用されています。
特性として、高融点で耐食性、絶縁性、耐摩耗性に優れていることから、ファインセラミックスの基本的な素材として絶縁碍子、研磨剤などに使われています。
また、セラミックス素材の中では、比較的高い熱伝導性を有していることから、放熱材としても使用されています。
前頁写真－1 は、本研究で使用したアルミナ骨材です。左

写真－2 熱伝導測定用サンプル

は細骨材、右は粗骨材として使用し、表面には、微細な凹（直径5cmの八角形、厚さ3cm）左からNo.1・２・３・４・凸があります。

５・右端はNo.６）
また、各ケースの熱伝導率試験の結果を表－1に示しま（３）高熱伝導コンクリートの製造¹
そこで、骨材として着目したアルミナを用いてコンクリートを製造することにしました。
コンクリートの標準配合は、新潟太平洋生コン（株）工場（以下、「工場」と呼ぶ）で品質確認及び出荷実績のある「早期交通開放型コンクリート舗装（1DAY PAVE）」の配合を基本とし、道路設計で定められている設計基準曲げ強度 4.50N/mm²を保証するものとしました（水セメント比35％、細骨材率 s/a＝42％、単位セメント量 C＝471kg/m3）。

す。
表－1 アルミナ混入体積率と熱伝導率表
No. 熱伝導率 アルミナ混入置換概要
123456WW/m·K

体積率％

2.02
6.08
3.43
4.64
3.77
2.43064.0
26.9
37.132.112.8

標準配合
細骨材 100％・粗骨材 100％
細骨材 100％・粗骨材 0％
細骨材0％・粗骨材 100％

細骨材50％・粗骨材 50％

細骨材20％・粗骨材 20％使用するセメントの種類は早強ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）社製）とし、骨材は工場で通常使用しているコンクリート用骨材を使用しました。
また、アルミナは、日本軽金属（株）社製のアルミナ「36W/m·K（25℃）」を使用し、その粒度については、標準「No.1」の標準配合と比べて、骨材をすべてアルミナに置換した「No.2」の配合の熱伝導率は、従来の天然骨材ではありえない「6.08」W/m·Kという非常に高い値が得られました。

配合で使用した骨材と同等になるよう調整したものを使用しました。

（５）熱伝導率をコントロール¹

基本となる工場の配合を No.1 とし、アルミナ骨材の効果を最大限見極めるために図―２で示した置換率（混入率）に応じた 6 ケースとしました。

図－２ 各ケースの置換（混入）率図
アルミナ細骨材置換率：アルミナ粗骨材置換率
No1： 0：0

図－３ アルミナ混入体積率と熱伝導率の関係図

No2：100：100 No3： 100：0

No4： 0：100 No5： 50：50

No6： 20：20

熱伝導率の増加について各ケースの場合のアルミナ混入体積率と熱伝導率の関係を図－３に整理しました。

（４）熱伝導率¹

各配合の「熱伝導率」と、各々の配合で天然骨材と置

写真―２は、各ケースの熱伝導率を測定するためのサき換えたアルミナの「混入体積率」には、図―３に示す通ンプルです。（測定方法：円板熱流計法 ASTM E1530(準拠)）

りアルミナの粒径の大小に関係なく比例関係があります。

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式－1は、熱伝導率とアルミナ混入体積率の相関式です。
熱伝導率（W/m·K）＝0.0618（W/m·K·％）×

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報告論文発表

写真－３は標準配合NO.1の破断面写真。写真―４は強度比が最大のNO.3の破断面写真です。

アルミナ混入体積率（％）＋2.02（W/m·K） ……… 式－1

曲げ強度の増加の要因として、アルミナ骨材の表面形以上のことから、アルミナの混入体積率を変えることで、状（微細な凹凸がある）により、砕石粗骨材とセメントある一定の範囲（熱伝導率2～6）でコンクリートの熱伝導ペーストやモルタルとの付着力は工場で使用している天然率をコントロールできます。

骨材と比較して高いことが推測されます。

（６）曲げ強度¹（７）生コン工場での実機による製造に向けてまた、各ケースの材齢7日での曲げ強度試験（JIS A

生コン工場の実機で製造する上での課題の一つとし1106）結果と標準配合に対する強度比の結果を表－2に示て、アルミナ骨材の粒度調整が挙げられます。試験練りでします。

使用した骨材は、数種類のアルミナ製品をJIS基準に適合表－2 曲げ強度試験結果表
置換概要

No. 曲げ強度 標準配合に対 アルミナ混N/mm2する強度比 入体積率％1234567.17
9.129.30
8.94
8.57
8.58

1.00
1.271.30
1.25
1.20
1.20064.0
26.937.1
32.1
12.8

する粒度分布になるように、試験室でブレンドして使用しましたが、一般的な生コン工場では、骨材貯蔵ヤードの数的な制約から、一つの骨材ヤード（一種類の製品だけ）の標準配合
細骨材 100％・粗骨材 100％
細骨材 100％・粗骨材 0％
細骨材 0％・粗骨材 100％

みを使用することが求められます。
その解決策として、これまでに数種類の製品について試験練りを行い、試行錯誤を繰り返してきました。

細骨材 50％・粗骨材 50％

その結果、標準配合における骨材の比表面積を算出

細骨材 20％・粗骨材 20％し、それに合わせた一種類のアルミナ製品を置換する配合

各配合とも標準配合と比べて約1.2倍以上の曲げ強度を設計により、試験室レベルでは強度8.87 N/mm²(標準配合確認できたため、強度面においては問題なしと推測しま

比1.27)・熱伝導率3.84W/m·K(アルミナ混入体積す。

率:28.5％)・性状について一定の成果が得られました。

写真―５は、一種類の製品を使用して製造した生コンのスランプ試験時の写真です。性状は良好でした。

写真－3No.1（標準配合）：

砕石粗骨材が割れることなく、そのまま残っている
写真―５ アルミナ中粒を使用した時の性状写真
また、標準配合と一種類の製品（アルミナ中粒）を使用した配合の二つを比較するために凍結融解試験を行いました。結果を表―３に示します。空気量は4.5％です。
表－3 凍結融解試験結果表

写真－4 No3（置換率細骨材100％粗骨材0％）:
砕石粗骨材が割れているものもある

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全ての供試体において300サイクルまでに相対動弾性係数が60％以上の値（今回は、97％以上）を示し、問題はあ第 38 回 寒 地 技 術 シ ン ポ ジ ウ ム

報告論文発表

図―3は放熱管と路面の位置関係を表しています。
式－２における舗装体の熱伝導率が関係するのは第１項のりませんでした。

のみです。

２．２ 未利用熱活用方策

したがって、式－2の放熱管平均通水温度〒は、「放熱（１）未利用熱の活用²³

管から路面までの距離L₁、L₂」が長くなると大きくなり、舗装体の熱伝導率が高いと、設計上必要な不凍液の放熱管入口温度を低くすることができます。

「舗装体の熱伝導率λ」が大きくなると、小さくなることを表しています。

高熱伝導舗装が低温度の未利用熱エネルギーの利用拡図―４は、ロードヒーティングの模式図です。熱源に大に資することを、下水熱を利用した融雪技術における設よって、温められた不凍液が、ロードヒーティング部の放計手法を参照しながら、有効であることを示します。

熱管内を流れる過程で舗装体に放熱をし、熱エネルギーを令和3年6月23日に国土技術政策総合研究所は、「下水奪われ温度が低下して、熱源に戻って、また、温められるの熱を利用した車道融雪技術を開発～省エネ・低コストなという循環をしています。各温度は、それぞれのポイント

車道融雪技術を実現～」と題して、「ヒートポンプレスでの温度を定義しています。

低LCC と高COPを実現する下水熱融雪システム」の導入ガ
イドライン（案）「以下、ガイドラインという」を策定し公開しました。
まず、この技術に適用されている高熱性能舗装としての材質として、「①熱伝導率を2.1W/m·K以上」（ガイドラインでは、骨材として熱伝導率が高い硅石・珪砂を採用して、2.4W/m·Kと従来技術の中央値である1.6W/m·Kより40％向上する結果が得られている）「②曲げ強度を対象道路において要求される性能を満たすこと」などが規定されてい図―４ ロードヒーティング模式図ます。このことに対して、これまで示してきた本研究成果によって、①②とも規定条件を満たしていると言えます。
熱伝導率が用いられる設計の個所は、「路面消・融雪要領より、放熱管往き温度Taと放熱管還り温度Tbは、次のような関係があります。

施設等設計要領設計要領」（以下、「要領」と呼ぶ）から放熱管平均通水温度〒の式－2の個所です。

Ta＝〒 （放熱管平均通水温度）＋1/2・⊿ｔ1 （放熱による温度低下）＋⊿ｔ2（送水管からの温度低下）
Tb＝ 〒－1/2・⊿ｔ1 なお、⊿ｔ1、⊿ｔ2とも舗装体の熱伝導率とは無関係…式－2です。

各変数は、以下の通りです。
qu： 上部放熱量（熱効率を考慮しない融雪または凍結防止

ガイドラインには、導入検討例として、新潟市においに必要な熱量：W/m²） L1：放熱管中心から路面までの最長距離て実証研究施設を設置した際の検討例が掲載されていま（m） L2：放熱管中心から路面までの最短距離（m） λ：舗装す。この事例をもとに、ヒートポンプレスでの下水熱利用体の熱伝導率（W/m·K） q： 必要熱量(W/m²) a´：ユニットの困難な地域である北海道の道央地区を想定して、その適面積(m²) λp：放熱管熱伝導率(W/m·K) d₀：放熱管外形(m)

用性について考察を行います。

d1：放熱管内径(m) L：放熱管延長(ｍ) Tm：路面温度（0℃）

設計条件は、以下の通りです。
・融雪対象面積：200m²・単位面積当たり必要熱量q：250W/m²（道央地区）・上部放熱量qu：225W/m²・総必要熱量50,000W/m²
・放熱管の種類及び口径：SUS15A・ 放熱ユニット面積12. 5m²以
内 熱源水の放熱による温度低下を5度以内にしたため・放熱管設置間隔：150mm・管内流速及び送水量：0.7m/s
・下水温度12℃（推定値）・舗装版厚：280mm

熱伝導率を1.6～6 W/m·Kの間で変化させた場合の各種
図－3 放熱管と舗装体、路面（出典：要領より）数値を次頁表－４に示します。

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表－4 熱伝導率と放熱管往き温度・還り温度の表
熱伝導率λ

放熱管往き温度Ta( ℃） 放熱管還り温度Tb（℃）

第 38 回 寒 地 技 術 シ ン ポ ジ ウ ム

報告論文発表増強することができます。
図―5 舗装体断面図の防護力強化の模式図( W/m·K )

1.6
2.4

16.84
12.1

11.92
7.18

2.5

11.72

6.81

2.75

10.9

5.98

310.215.29

熱伝導率をコントロールすることができるが、アルミ

48.32

3.4ナの価格（工場渡し）が従来の骨材と比べて、約300円/kg

57.18

2.26と高価（推定値）であるため、熱伝導率が6 W/m·K のコ

66.42

1.5ンクリートは、1m3当り約77万円と高価で、舗装材そのも（３）トータルコストの低減（全体最適な設計）²³のはコストが高くなるという課題があります。
札幌を対象にした単位面積当たり必要熱量:250W/m²の一方、熱源である下水熱を利用して、不凍液を温める条件での12℃の下水熱を活用したヒートポンプレスの設計ために下水道管内に採熱管を敷設します。この採熱管の費事例（車道面積200m²）において、熱伝導率を1.6～６用も高価なものです。

W/m·K の場合の、必要な放熱管往き温度と放熱管温度を算出して表示してあります。

そこで、ヒートポンプレスにおいて、建設費に占める割合が多いとされる採熱管費用に着目して、採熱管設置費表―４の見方として、熱伝導率が、1.6 W/m·K の時の放用（材工共）を270千円/m（推定値）、熱伝導率を1 W/m·K

熱管入り口温度は、16.84℃が必要な温度となり、熱伝導上げるためのアルミナ費用をプラス20千円/m²（推定値）

率が、6 W/m·K の場合は、その値が6.42℃となります。

として経済性を検討すると、従来より舗装材のコストは高

このように熱伝導率を1.6 W/m·K から６W/m·K に大きくくなりますが、その他の採熱設備などのコストが安くなる

すると、設計放熱管入口温度を約10℃低下することができことによって、トータルコストの縮減が可能となります。

るのです。

全体最適な設計が可能となるのです。

活用できる下水熱を12℃としますと、熱の不可逆性で以下に、ガイドラインを参照して示します。

12℃以上にはヒートポンプレスでは温めることが不可能で採熱管の敷設延長は、式―3で求められます。

すので、熱伝導率が1.6～2.4 W/m·K の範囲では設計放熱管入り口温度が12℃以上となり、必要な設計温度12℃以下を満足しません。
熱伝導率を2.5 W/m·K 以上にすることによって、放熱管入口温度を12℃未満にすることができます。
熱伝導率1.6～2.4 W/m·K の範囲では12℃の下水熱の活用ができませんが、熱伝導率2.5 W/m·K 以上にすることによって、単位面積当たり必要熱量ｑ:250w/m²の条件をクリ…式－3
Q：全体必要熱量（W） N：採熱管本数（本） D：採熱管外径（m）
U：総括熱伝達係数（W/ⅿ²·K） T：下水温度（℃）
Ta：放熱管往き温度(℃) Tb：放熱管還り温度(℃)

そこで、熱伝導率を2.1～6 W/m℃の間で変化させた場合の各種数値と採熱管延長の関係を表―5に示します。

アできることがわかります。
また、熱伝導率が6 W/m·K の場合に放熱管往き温度が7℃以下になります。このことは、7℃付近の低温度の熱エネルギーの利用も可能となることを示し、北海道や厳寒多雪地域などのヒートポンプレスが導入できなかった地域において導入が可能になると考えます。
（２）放熱管や放熱線の防護力の強化
また、[放熱管の配置]に関しては、従来路面からの設置深さを10㎝以内に配置していることが多く、重荷重により放熱管が破損するケースが見られました。
この対応策として、図―５の模式図のように、熱伝導率をアップして設置深さをより深くしたり、通常15～20㎝という横方向の設置間隔を伸ばすことが可能となり、防護力を

表－５熱伝導率と放熱管往き・還り温度と採熱管延長の表
熱伝導率 λ放熱管往き温度

放熱管還り温度(W/m·K )T（a ℃）

Tb（℃）

採熱管延長

1.6

16.84

11.92-

2.4

12.1

7.18-

2.5

11.72

6.81

257.9

2.75

10.9

5.98

149.8

310.21

5.29

116.5

4

8.32

3.4

74.8

5

7.18

2.26

626

6.42

1.5

55.7

L(m)

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図―６は、熱伝導率と採熱管延長の関係を表しています。

第 38 回 寒 地 技 術 シ ン ポ ジ ウ ム

報告論文発表そこで、耐凍害性混和剤として開発されたパラフィンを主成分とする「パラフィン系混和剤⁵」を用いて、新たに空気量３％で混和剤の有無による凍結融解試験を行い、図－８のような結果となりました。

図－６ 高熱伝導Coの熱伝導率と採熱管延長
熱伝導率が４W/m·K付近までは採熱管延長の減少率が大きく、それ以上は減少率が小さくなることがわかります。
また、図－７は、熱伝導率と「採熱管＋アルミナの費用」の関係を表しています。

図―８ アルミナ中粒使用コンクリート（空気量3％）における混和剤有無の凍結融解サイクルと相対動弾性係数未混和のものが180サイクル時点で相対動弾性係数60％を下回るのに対して，混和した方は300サイクル時点で，80～70％程度と大幅に耐凍害性が向上して、その有効性を確認しました。
３．２ 現場での試験施工に向けてこのように路面に熱を伝える舗装材に、価格は高いが品質が安定している工業製品であるアルミナを骨材として用いることで、未利用熱活用の建設コストの低減や脱炭素、省エネ化が図れ、アルミナを使用した高熱伝導コンク

図―7 熱伝導率と「採熱管＋アルミナの費用」の関係図
図－７より、舗装体の熱伝導率が、4 W/m·K 付近において「採熱管設置費用＋アルミナ費用」が最小になると推測

リートのポテンシャルは高いものと考えます。
試験室レベルでは一定の成果（配合設計）が得られ、現場での試験施工の段階に入ったと考えています。

され、4千万円（200千円/m²）以上のコスト縮減が図れま

未利用熱エネルギーの活用による循環型社会の構築なす。また、4 W/m·K 以上の熱伝導率の向上はオーバースどにつながるためにも、関係者の皆様に導入の検討をお願ペックとなることを示しています。

いいたします。

このように「熱伝導率」を変数として取り扱うこと《参考文献》

で、[放熱管の配置]や[放熱管入口温度]の設計を施設全体

1：美寺寿人・五十嵐祐司・佐伯竜彦・上石勲：高熱伝導コンクが全体最適となるような設計を行い、部分最適ではなく全リートに関する研究,令和2年度北陸地方整備局事業研究発表会,体最適な設計を行うことができるようになります。

令和2年9月2：国土技術政策総合研究所資料 第1158号2021年3月 BDASHプ

３．今後の課題等

ロジェクトNO.35 ヒートポンプレスで低LCCと高COPを実現する

３．１ 熱伝導率の向上の方策⁴

下水熱融雪システム導入ガイドライン（案）

アルミナは高価な材料であることから、コスト縮減が課題でした。
そこで、熱伝導率の低い空気（0.0257 W/m·K）に着目し

3：美寺寿人、佐伯竜彦：高熱伝導コンクリート舗装に関する研究について,土木施工2021Nov、pp.30-34
4：美寺寿人・五十嵐悠介・浅野宏・佐伯竜彦：高熱伝導コンクて、コンクリートの空気量を低減した比較試験を、細骨リートにおける実用化に向けた取り組みについて, 第76回セメン材・粗骨材をすべてアルミナに置換した配合のケースで行ト技術大会講演資料,令和4年5月

い、空気量を7.9％から2.6％に少なくした場合、熱伝導率

5：岡田明也，丸田浩，中村浩章，早川隆之：特殊パラフィンエ

は6.08 W/m·K から7.70 W/m·K に向上しました。

マルジョンによる凍害抑制技術，コンクリート工学, Vol.60,

一方、空気量は耐凍害性の機能として、5％程度を目安に配合することになっています。

No.10, pp902-908