技術資料 雪堆積場の雪冷熱利用技術に係る基礎実験について 永長 哲也＊ 片野 浩司＊＊ 山口 和哉＊＊＊ 本実験では、「冷風利用」と「冷水利用」の両方式 １．はじめに によって冷熱を採集して冷房実験を行うこととした。 再生可能エネルギーである雪冷熱の利用はこれまで なお、多頻度の運搬が必要なためコスト高になる「冷 も検討されてきたが集雪にかかるコストが課題であっ 熱用雪の供給」は対象外とした。 た。そのため、冬期に除排雪で集めた雪を夏期の冷房 に使用するという雪冷熱の利用は、一部で実用化され 㔐ၸⓍ႐䋨಄㘑↪䋩 ているものの、大規模な雪冷熱需要施設での利用につ いては技術的に体系化されていない状況である。また、 札幌市などの都市部では雪堆積場の確保が年々困難と なり、運搬距離が遠距離化しているため、雪を積んだ ダンプトラックの輸送距離が長くなることで、運搬排 雪コストが増大している。 㔐ၸⓍ႐䋨಄᳓↪䋩 雪冷熱エネルギーは、新エネルギー利用等の促進に 関する特別措置法において、新エネルギーに位置づけ られ、東日本大震災以降、再生可能エネルギー導入を 推進する取組は活発化している。更に平成24年３月に は豪雪地帯特別措置法が改正され、雪冷熱エネルギー 㔐ၸⓍ႐䋨㔐ቶ╬䈻䈱಄ᾲ↪㔐䈱ଏ⛎䋩 の活用促進に係る規定が追加されたところである。 以上のことから、道路排雪を有効利用することに着 目し、運搬排雪コストを削減するとともに、未利用で あった雪堆積場の雪冷熱利用技術について検討するた め、美唄市茶志内 （空知工業団地）に実験用雪山を造成 図－１ 雪山の雪冷熱利用形態 し、基礎実験を行った。 ２．２ 冷熱の供給方法 ２ 実験用雪山の検討 冷却の対象となる施設、貯蔵庫等に冷熱を供給する 方法には次の３種類がある１）。また、それらを組み合 ２．１ 雪山の雪冷熱利用形態 雪を確保し保存する方法には、大きく分けて屋内（貯 わせて利用することもある。 （１）直接熱交換冷風循環方式（全空気式） 雪庫）及び屋外 （雪山）とあるが、雪堆積場に着目して 直接熱交換冷風循環方式（全空気式）は、送風機を用 いるため、屋外貯雪について検討した。 いて、冷熱を供給する貯雪部（雪山）と冷却の対象とな 造成した雪山の雪冷熱利用形態には、図－１のとお る施設、貯蔵庫等との間で空気を循環させ、空気と雪 １） り３種類がある 。 を直接接触させて熱交換するものである（図－２）。 ① 冷風利用 （雪山で冷却された冷風を施設、貯蔵庫 等に送風して利用） ② 冷水利用 （雪山で融解した冷水を施設、貯蔵庫等 に送水して利用） ③ 雪室等への冷熱用雪の供給 （堆積させた雪山から 必要な雪を施設、貯蔵庫等に運搬して利用） 寒地土木研究所月報 №718 2013年３月 図－２ 全空気式（イメージ） 11 （２）熱交換冷水循環方式（冷水循環式） 熱交換冷水循環方式（冷水循環式）は、熱交換器の一 次側に、融解水または雪で冷やされた不凍液をポンプ で循環し、二次側で循環する液体（不凍液等）を冷却す るものである （図－３）。融解水冷熱を直接空調機に送 水する直接利用方式と熱交換器を介して送水する間接 利用方式とに分別される。なお、融解水を利用する場 合、熱交換器から戻ってきた水を雪氷を融かすのに利 用するため、雪山に散水する場合が多い。 図－５ 全体図（全空気式） 図－３ 冷水循環式（イメージ） （３）雪室方式 （自然対流式） 雪室方式 （自然対流式）は、特別な機器を用いず、貯 雪部の冷熱や貯蔵庫等に被せた雪の冷熱を施設、貯蔵 庫等の中で自然対流させるものである（図－４） 。 図－４ 自然対流式（イメージ） 表－１ 使用資材（全空気式） ฬ⒓ 7 ሼ ࠻ ࡈ ࠣ ࠴ ࡦࠣ ᒝ ൻ ࠳ ࠢ ࠻ ធ ⛯ ࠳ ࠢ ࠻ ㅍ 㘑 ࡈ ࠔ ࡦ ធ ⛯ ࠴ ࡖࡦ ࡃ ᭽ ဳ ဳ ᒝ㩇㩔㩩㨼㩡㩣㩊㩨㩂㩎ǾOOᢿᾲઃ ǾOOᢿᾲઃ O OKP ᢿᾲౝᒛ⬄ઃ ᢙ㊂ 㨙 㨙 㨙 㨙 บ บ ２．４ 実験用雪山（冷水循環式）の概要 本実験では、道路除排雪を利用した雪山からの冷熱 冷水循環式の実験用雪山では、雪山下部に設置した 採集方式を検討するため、全空気式、冷水循環式の２ 集水桝に融雪水を集め、地中埋設管を経由させ、採水 方式について、熱交換システムの検討を行った。雪室 桝より冷水を水中ポンプで実験庫内の送風機 （FCU： 方式は、屋内の貯蔵庫等で適用可能な冷熱交換手法で ファンコイルユニット）に送水した。なお、送風機に あり、 雪堆積場の雪冷熱利用技術には適合しないため、 供給する水の不足がないよう、送風機に供給した冷水 選定から除外した。 は戻り配管によって雪山下面に戻し、循環させること で融雪を促した。 ２．３ 実験用雪山（全空気式）の概要 本実験では、熱交換器を介さない冷水循環式を試験 全空気式の実験用雪山では、雪山下部にグレーチン 的に採用した。しかし、道路排雪の融解水には泥やゴ グで蓋をしたトラフを地面上に設置することで空気の ミが混入しており、これらが送風機（FCU）のコイル 通り道を確保し、 トラフに接続したダクトを経由させ、 内に付着することが懸念されるため、採水桝にフィル 雪山内部で直接熱交換し冷却された空気を送風ファン ターを採用した。塩ビ管設置状況を写真－３、実験庫 で実験時の計測室 （以下「実験庫」という）に供給した。 内状況を写真－４、全体図を図－６、使用資材を表－ トラフ設置状況を写真－１、実験庫接続状況を写真－ ２に示す。 ２、全体図を図－５、使用資材を表－１に示す。 (%7 写真－１ トラフ設置状況 写真－２ 実験庫接続状況 12 写真－３ 塩ビ管設置状況 写真－４ 実験庫内状況 寒地土木研究所月報 №718 2013年３月 実験用雪山の内、道路排雪を利用した雪山Ａは直接 熱交換冷風方式の「全空気式」とし、雪山Ｂは熱交換 冷水循環方式の「冷水循環式」による冷房実験に利用 した。残りの雪山２基（雪山Ｃ、Ｄ）は、道路排雪と新 雪（融雪剤等を含まない）を利用して造成し、比較対照 用として冷熱エネルギーを採集せずに自然融解させ、 雪山の形状や体積の変化を測定した。 また、実験庫として、外気や日射の影響を受けない よう100mm の断熱材付の12ft 冷蔵コンテナを採用し た。雪山の全体配置図を図－７、雪山造成を写真－６ に示す。 表－３ 実験用雪山の種類 ฬ⒓ 㔐ጊ㧭 㔐ጊ㧮 㔐ጊ㧯 㔐ጊ㧰 図－６ 全体図（冷水循環式） 表－２ 使用資材（冷水循環式） Ⴎ ⓣ ᳓ ㅍ ࡈ ฬ⒓ ࡆ ▤ ߈Ⴎ ࡆ▤ ਛ ࡐ ࡦ ࡊ 㘑 ᯏ (%7 ࠖ ࡞ ࠲ ᭽ # #ᢔ᳓ሹ㧬OO #.OKP ಄ᚱ⢻ജM9 JޓᏔ┙⽴Ზ ᢙ㊂ 㨙 㨙 ၮ ၮ ၮ 㔐ጊ䌄 ታ㛎⒳㘃 ోⓨ᳇ᑼ ಄᳓ᓴⅣᑼ ⥄ὼⲢ⸃ Ყセ↪ 㔐ጊ䌃 㔐ߩ⒳㘃 㔐ጊⷙᮨ ᐩㄝ㜞ߐO 〝ឃ㔐 ൨㈩Ყ㧦 Ⓧ ㊀㊂O V ᣂޓޓ㔐 㔐ኒᐲVO ᧁ 㔐ጊ䌂 ታ㛎ᐶ ዷᦸบ ታ㛎ᐶ ２．５ 断熱材の検討 断熱材としてはバーク材を使用した（写真－５）。バ ーク材は、伐採小木などを粉砕したものであり、既往 㔐ጊ䌁 図－７ 雪山の全体配置図（美唄市茶志内） 研究においてバーク材を30cm の厚さで被覆した場合、 外気や日射による融解量は一夏を通じて約1.5ｍにと どまることが報告されている。４） 写真－６ 雪山造成（左：バーク材被覆前、右：被覆後） 写真－５ バーク材（左：粉砕前、右：粉砕後） ３ 基礎実験 ４ 実験結果及び考察 ４．１ 全空気式 ４．１．１ 融解量、雪山形状の変化 実験用雪山は、美唄市茶志内（空知工業団地）に表－ 全空気式の実験用雪山の体積は、表－４に示すとお ３のとおり４基造成した。冷熱採集状況を把握するた り、実験開始直近の雪山測量日（5/23）は198m3であっ め、実験庫内温度などの温度計測、外気温度・風向・ たが、実験終了直近の雪山測量日（7/5）に計測したと 風速などの気象観測、定点カメラによる雪山の体積、 ころ34m3であった。 形状変化等の観測、定期的な測量などの各種計測を実 施し、データ収集・解析を行った。 寒地土木研究所月報 №718 2013年３月 13 表－４ 全空気式の融解量 ᣣ ᣣ Ⲣ⸃㊂ Ⓧ O ಄ᾲ㨾㩒㩣㩁㩨㨺㊂ /, 0.3℃であった（図－８）。これは、実験庫の断熱性能 が高く、外気温度の影響を受けにくかったことから、 実験庫内の熱負荷を受けずに低い温度のまま実験庫外 に放出したためと思われる。 また、雪山が有する全体の冷熱エネルギー量は、雪 密度 （0.65t/m3） 、融解潜熱（334.88MJ/t）を用いて計算 すると35,698MJ となった。実験用雪山は、5/28（開 始から４日目）からトラフ周辺の融解が進行し始め、 法面開口部から雪が崩壊し、6/5（12日目）に完全に空 洞となった。地面上に設置したトラフに熱が伝達し、 周囲の雪を融解させることで空気の通り道ができ、融 図－８ 全空気式の冷房特性 解を促進させたためと思われる。雪山の形状変化が大 きくなると、バーク材に亀裂が入り、雪が露出してし まうことから頻繁な補修が必要となった。 ４．１．３ 全空気式の冷熱エネルギー量 空洞発生後も冷熱エネルギーを取得できたため、雪 5/25 ～ 6/24の実験期間（31日間）の全空気式の冷熱 山を補修するなどして実験を継続した。しかし、6/24 エネルギー量の推移を図－９、6/25時点の雪山状況を に外気温度とファン吸込側温度が同等になった時点で 写真－９に示す。 冷熱エネルギーが取得できないと判断し、実験を終了 実験用雪山から得られた冷熱エネルギー量は、外気 した。雪山状況を写真－７、８に示す。 温度とファン吸込側温度の差とファン風量（2,100m3/h） から累計すると7,715MJ となった。また、冷房対象と なる実験庫内の冷熱エネルギー量は、吹出口温度と排 気口温度の差とファン風量から累計すると635MJ と なった。 実験終了直近の雪山測量日（7/5）までの融解減少分 の体積は表－４から164m3であり、35,698MJ の冷熱エ 写真－７ 全空気式（5/28）雪山状況 ネルギー量を最大で取得することが可能である。 また、雪山から得られた冷熱エネルギー量に対する 最大取得可能エネルギー量の有効率は、7,715/35,698= 21.6％となった。 このことから、冷熱エネルギーの有効率を向上させ るには、雪山を有効に活用するため、空洞の発生を遅 らせるような施工又は構造物の設置方法の検討、また、 本実験では実験開始から連続運転させたが、温度制御 写真－８ 全空気式（6/5）雪山状況 による断続運転を検討する必要がある。 なお、冷熱エネルギー量（時間当たり）は以下の計算 ４．１．２ 全空気式の冷房特性 式で算出した。 全空気式は、外気温の影響で冷房温度が大きく変動 Ｑ＝ｑ×⊿Ｔ×ｃ×ρ した。実験庫の吹出口温度と外気温の差は、実験当初 ここで、Ｑ：全空気式の冷熱エネルギー量（MJ/h） は10℃あったが、時間の経過とともに、雪山内部の空 ｑ：ファン風量（m3/h） 洞の成長拡大、雪山の崩壊が進行し、外気温度と差が ⊿Ｔ：温度差（℃） なくなった段階 （6/24）で実験を終了するに至った。実 ｃ：空気の比熱（＝0.24×4.186MJ/kg℃） 験期間 （5/25 ～ 6/24）中の温度差は平均3.5℃となった。 ρ：空気の密度（＝1.293kg/m3） また、実験庫の吹出口温度と排気口温度の差は平均 14 寒地土木研究所月報 №718 2013年３月 /, たこと、及び実験庫が密閉され、熱負荷がそれほどか からない状態で、実験庫内で冷水が循環していたこと から温度差が小さかったためと思われる。 /, また、本実験では熱交換器を介さなかったことから、 送風機コイル内にゴミなどが付着する影響を懸念し、 図－９ 全空気式の冷熱エネルギー量 採水桝に帆立貝殻を利用したフィルターを設置した。 しかし、７月下旬ころからフィルターの目詰まりの症 状が現れたことから、8/1に高圧洗浄機により採水桝 フィルターの洗浄を行った。１ヶ月後には再度目詰ま りの症状が現れたので9/6に再度洗浄を行った。その ため、8/17から9/6の間は採水桝フィルターの詰まり により、FCU に供給する冷水が不足したため、ポン プを停止し、冷熱採取を行わなかった。 写真－９ 全空気式（6/25）雪山状況 ４．２ 冷水循環式 ４．２．１ 融解量、雪山形状の変化 冷水循環式の実験用雪山の体積は、表－５に示すと おり、実験開始直近の雪山測量日 （5/23）は183m3であ ったが、実験終了後 （9/26）に確認したところ０m3で あった。 また、雪山が有する全体の冷熱エネルギー量は、雪 密度 （0.65t/m3） 、融解潜熱（334.88MJ/t）を用いて計算 すると39,834MJ となった。 ４．２．３ 冷水循環式の冷熱エネルギー量 表－５ 冷水循環式の融解量 ᣣ ᣣ Ⲣ⸃㊂ Ⓧ O 図－10 冷水循環式の冷房特性 ಄ᾲ㨾㩒㩣㩁㩨㨺㊂ /, 5/25 ～ 9/26の実験期間（125日間）の冷水循環式の冷 熱エネルギー量の推移を図－11、8/21時点の雪山状況 を写真－10に示す。 実験用雪山から得られた冷熱エネルギー量は、外気温 度と雪山下部集水桝温度の差とポンプ流量（1,800ℓ/h） から累計すると16,218MJ となった。また、冷房対象 実験用雪山は、実験庫から戻ってきた融解水を雪山 となる実験庫内の冷熱エネルギー量は、送風機の行き 下面に戻しているため、雪山下面から順に全体的に融 温度と戻り温度の差とポンプ流量から累計すると 雪が進み、大きな形状変化はなかった。 2,682MJ となった。 ４．２．２ 冷水循環式の冷房特性 実験終了の9/26までの融解減少分の体積は表－５か 冷水循環式は、外気温の影響をほとんど受けず冷房 ら183m3であり、39,384MJ の冷熱エネルギー量を最大 温度が概ね一定であり、外気温度に影響されることな で取得することが可能である。 く、平均1.6℃の冷水を実験庫に供給した。そして、 また、雪山から得られた冷熱エネルギー量に対する 行き配管温度が上昇し始めた段階で実験を終了した。 最大取得可能エネルギーの有効率は、16,218/39,834= 実験期間 （5/25 ～ 9/26）を通しての実験庫の FCU 40.7％となり、冷水循環式は雪山を効率的に使ってい 吹出口温度と外気温の差は平均16.7℃となった。また、 ると言える。 実験庫の行き配管温度と戻り配管温度の差は平均0.1 なお、冷熱エネルギー量（時間当たり）は以下の計算 ℃であった （図－10）。これは、全空気式と同様に実験 式で算出した。 庫の断熱性能が高く、外気温度の影響を受けにくかっ Ｑ＝ｑ×⊿Ｔ×ｃ×ρ 寒地土木研究所月報 №718 2013年３月 15 ここで、Ｑ：冷水循環式の冷熱エネルギー量 （MJ/h） わかった。 ｑ：ポンプ冷水量（L/h） また、雪山から得られた冷熱エネルギー量は、全空 ⊿Ｔ：温度差（℃） 気式で7,715MJ（31日間）、冷水循環式で16,218MJ（125 ｃ：水の比熱（＝1.0×4.186MJ/kg℃） 日間）となった。 ρ：水の密度（＝1.0kg/L） 雪山から得られた冷熱エネルギーに対する有効率 は、全空気式で21.6％、冷水循環式で40.7％となった。 全空気式は雪山内部の空洞の成長拡大及び雪山が崩壊 /, したため、途中で実験を終了したが、道路排雪の雪で も、十分な冷熱エネルギーを得られることがわかった。 本実験において、全空気式、冷水循環式の各々の特 /, に適した雪冷熱の取得方法を検討し、雪山造成及び資 徴を把握することができたことから、今後、雪堆積場 図－11 冷水循環式の冷熱エネルギー量 材等の施工方法、造成後の雪山のメンテナンス、冷熱 取得後のゴミ等の処理、コストの検証など、道路排雪 を利用する上での課題について解決方法を検討してい く。 参考文献 １）北海道経済産業局：雪氷熱エネルギー活用事例集 ４増補版平成22年６月 写真－10 冷水循環式（8/21）雪山状況 ２）美唄自然エネルギー研究会：平成22年度「美唄自 然エネルギー研究会 研究活動報告書」、平成23 年６月 ５ まとめ ３）本間弘達，浅川勝貴，船木淳，山上重吉，媚山政 雪堆積場に着目するため、屋外貯蔵の雪山について、 良：“雪山”の造り方、第23回寒地技術シンポジ 全空気式及び冷水循環式の２種類の冷熱方法を検討し ウム論文・報告集 pp13-16、2007.12 た。 ４）伊東宏城，媚山政良，川本周郎，松居正道，佐藤 実験用雪山を造成して行った基礎実験の結果、冷房 龍幸，岩腰壮康：沼田式貯蔵実験報告～籾から， 特性としては、全空気式は、外気温の影響で大きく変 バーク材を被覆材として利用した場合～、第16回 動するが、冷水循環式はほぼ一定の状態であることが 寒地技術シンポジウム論文集 pp701-705、2000 永長 哲也＊ 16 片野 浩司＊＊ EINAGA Tetsuya KATANO Kouji 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） 山口 和哉＊＊＊ 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 主任研究員 寒地土木研究所月報 №718 2013年３月
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