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 0 0% 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 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） 60% 80% 100% 期間降雪量の気候的出現率（札幌） 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 0.0 20% 40% 60% 80% 100% 累積出現率 2 013年 供給熱量推計値（札幌①） 40% -8.0 0% （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 図－２ 最低気温平均値の気候的出現率（札幌） 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 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 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 ２ 3) 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 274 203 436 358 399 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 82 83 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 400 300 200 100 0 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 ） 500 400 300 200 100 0 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） 500 400 300 200 100 ３．１ 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 区分 1) 調査期間中の 16:00～21:00 は既に断続運転を行って 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 2 6) 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 2 832.3 538.0 2 810.0 574.2 2012合計（MJ/m ） 2013合計（MJ/m ） 平均（MJ/m2） 821.1 削減率 削減料金(千円） CO 2削減効果（t-CO2/年） 556.1 32% 884 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 0:00 0 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（℃） 8.0 36 炭素削減効果は 36t-CO2/年となった。(表-４） 風速（m/s） 10.0 表－５ 12:00 18:00 0:00 断続運転時の路面温度(川沿 RH) 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 ① 0.5 0.5 30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 ② 0.6 0.4 24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 ③ 0.8 0.2 12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 2 2012合計（MJ/m ） 2 実測値 ① ② ③ 832.3 661.9 663.8 722.0 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） 21 21 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、H24 2）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、H19.9 3）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
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