低温度なエネルギーを用いた融雪システム
柳 博文
1・松浦和也
2 1正会員 工博 鉄建建設株式会社 建設技術総合センター（〒286-0825 千葉県成田市新泉9-1） 2正会員 鉄建建設株式会社 建設技術総合センター（〒286-0825 千葉県成田市新泉9-1） 北海道をはじめとする積雪寒冷地では，散水融雪を採用した場合には路面凍結の恐れがあり，無散水融 雪であるロードヒーティングが有効的と考えられる．特に，地中熱利用による融雪システムは初期費用が比 較的高価であるが，ランニングコストと環境負荷の面で優位性が認められる．しかし，他の伝熱方式等に比 べ低温な地中熱をエネルギー源とするため，北海道などの厳しい気象条件下ではボイラー等の補助熱源が必 要となるケースが多い．このため，地中熱単独の融雪利用の有効性については明確な評価はされていない． 低コスト化の観点から，札幌市内において地盤から得られる低温度の熱エネルギーのみを活用した無散水融 雪試験を実施したので，その結果について報告するものとする． キーワード : 地中熱,ロードヒーティング,融雪,凍結防止 １．はじめに 北海道をはじめとする積雪寒冷地では，散水融雪 を実施した場合には路面凍結の恐れがあり，無散水 融雪であるロードヒーティングが有効的である．特 に，地中熱利用による融雪システムは初期費用が比 較的高価であるが，ランニングコストと環境負荷の 面で優位性が認められる． しかし，積雪寒冷地で融雪システムを導入するに あたっては，ヒートポンプなどの補助熱源を併用し ているケースが多く見られ，この補助熱源を必要と するならばこのような長所が没却されかねない．し かし，既往の文献 1)～3)に見られるように，これまで 北海道などの厳しい気象条件下での地中熱のみを利 用した融雪システムの有効性についての明確な確認 はされていない． そこで，他の伝熱方式等に比べ低温な地中熱を唯 一の熱源とする融雪システムの有効性を確認するた め採熱試験及び放熱試験を実施した。本報では，積 雪寒冷地での循環水の流量と採熱量並びに循環水の 温度上昇との相関性を明らかにし，さらに気象条件 の厳しい積雪寒冷地においても，地中熱から得られ る低温度エネルギーのみでも効果的な融雪及び凍結 防止効果が確認できたことを報告する. ２．試験概要 当融雪システムの概要図とその写真を図-1，写真 図-1 融雪システム概要図 写真-1 融雪システム全景 -1 に示す。熱交換杭は二重管方式とし，熱交換杭の 計測小屋 熱交換杭 融雪舗装 融雪舗装 無対策舗装 (2×4m) (2×4m) (2×2m) 計測小屋 熱交換杭 融雪舗装 融雪舗装 融雪舗装 無対策舗装 (2×4m) (2×4m) (2×4m)(2×4m) (2×2m) (2×2m) 計測小屋 流量計 Ｐ 循環水 出入口温度 循環水 出入口温度 熱交換杭 L=40m，φ100 融雪舗装 融雪舗装 無対策舗装 ｔ=160 ㎜ ｔ=160 ㎜ 舗装体温度（鉛直方向）内管内部を下方向に向かって流れる循環水は熱交換 杭下端で外管に移動し，外管と内管の間を上昇する 間に地盤より熱エネルギーを採取する．このように 熱交換杭により温められた循環水は，融雪舗装体に 埋設された放熱管（φ15 ㎜，被り 50 ㎜）へと流れ 込み，この舗装内部に配した放熱管内を流れること で熱エネルギーを放出（融雪）し，再び熱交換杭の 内管に戻る循環システムである．融雪システムの各 部位の諸元は表-1 のとおりである． 試験の手順として，熱交換杭の採熱能力の試験を 採熱試験にて実施する．熱交換の媒体である循環水 の 流 量 を パ ラ メ ー タ と し て ， Q ＝ 20L/min か ら 15L/min，10L/min，5L/min と連続的に変化させ，最 終的に最大流量 22.5L/min で試験を終了し，この時 の熱交換杭の出入り口温度差から熱交換杭による採 熱量を把握した．熱交換杭については，外管φ100 ㎜（内管φ50 ㎜）の塩ビ管Ｌ＝40ｍを採用している． 次に，融雪試験を上記と同様に流量をパラメータ として Q＝20L/min，10L/min，5L/min で実施し，融 雪舗装体出入り口部の循環水の温度差から融雪能力 の把握を行った．試験期間中（概ね 1 ケース 10 日～ 15 日間）は舗装体の鉛直方向の温度分布及び融雪舗 装体出入口部の循環水温度を採熱試験の計測項目に 加え計測している．融雪量及び積雪量は，適時ロッ トにて目視確認を行った． ３．採熱試験 (1)試験手順 採熱試験においては，熱交換杭の採熱能力に着目 するため，融雪舗装体に残雪を堆積させた状態で試 験を行った．図-2 に熱交換杭の概要図と温度計測箇 所を示す．温度計測は外気温のほか，熱交換杭出入 り口の循環水温度（各 1 箇所）及び熱交換内部の鉛 直方向の温度分布（計 9 箇所）である．流量は， 20L/min，15L/min，10L/min，5L/min，22.5L/min と 連続的に変化させ，各流量においては出入口温度が 定常状態もしくは 90 分～120 分経過した時点でバル 図-2 熱交換杭概要図 図-3 流量と循環水の温度上昇との関係 ブにより順次流量を切り替えた． (2)試験結果 各流量と循環水の温度上昇（出口温度と入口温度 との差）の関係を図-3 に示す．今回の試験の範囲で は，流量と温度上昇の関係は一次式で近似すること ができ，流量が増加するとともに循環水の温度上昇 分が減少するといった負の比例関係が認められる． 次に，循環水の温度差に流量を乗じて得た熱量と 流量の関係を図-4 に示す．熱量については，熱交換 杭の長さで除し，杭の単位長さ当たりの採熱量とし て表している．当該試験結果において，20L/min ま では流量の増加に比例して採熱量も増加しているが， 22.5L/min になるとその増加分は減少していること 部 位 仕 様，形 状 数 量 熱交換杭 外管 VP100 内管 VP50 L=40m 循環水 ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝｸﾞﾘｺｰﾙ 50％ － 融雪舗装体 2m×4m ｔ=160 ㎜ ２ブロック 普通コンクリート 18N/㎜ 2 Ａ=16ｍ2 無対策舗装体 2m×2m ｔ=160 ㎜ １ブロック 普通コンクリート 18N/㎜ 2 Ａ=4ｍ2 放熱管 SGP-B 15A － G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m ･････出口温度(1箇所) ･････入口温度(1箇所) ･････外管温度(4箇所) ･････内管温度(5箇所） Ｐ ポンプ 流量計 熱交 換杭 G.L. 融雪舗装体 G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m ･････出口温度(1箇所) ･････入口温度(1箇所) ･････外管温度(4箇所) ･････内管温度(5箇所） Ｐ ポンプ 流量計 熱交 換杭 G.L. 融雪舗装体 G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m ･････出口温度(1箇所) ･････入口温度(1箇所) ･････外管温度(4箇所) ･････内管温度(5箇所） Ｐ ポンプ 流量計 熱交 換杭 G.L. 融雪舗装体 G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m ･････出口温度(1箇所) ･････入口温度(1箇所) ･････外管温度(4箇所) ･････内管温度(5箇所） Ｐ ポンプ 流量計 熱交 換杭 G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m G.L.-0.5m G.L.-5.0m G.L.-10.0m G.L.-25.0m G.L.-39.9m ･････出口温度(1箇所) ･････入口温度(1箇所) ･････外管温度(4箇所) ･････内管温度(5箇所） ･････出口温度(1箇所) ･････入口温度(1箇所) ･････外管温度(4箇所) ･････内管温度(5箇所） Ｐ Ｐ ポンプ 流量計 熱交 換杭 G.L. 融雪舗装体 内管：VP50(塩化ビニル管) 外管：VP100(塩化ビニル管) 表-1 融雪システム諸元表 y = -0.0298x + 1.9823 R2 = 0.9142 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 10 20 30 流量（L/min） 採熱 に よ る 循環 水の温 度上 昇（ ℃）
図-4 流量と採熱量との関係 図-5 舗装体（鉛直方向）温度測定位置 がわかる。図中に文献１）として福井大学で行われ た採熱試験結果１）を併せて記載している．文献 1)で は，杭長 70m であり材質はポリエチレン管（内管φ 56 ㎜外管φ90 ㎜）となっており，循環水はﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟ ﾚﾝｸﾞﾘｺｰﾙ 20％を使用している．本試験の結果と文献 1)との採熱量の違いは，杭材の熱貫流率並びに循環 水の濃度の違いが現れていると考えられるが，熱交 換杭が二重管構造であることから，単に杭材の熱貫 流率の比による補正のみでは一義的には決めること ができない．熱交換杭の採熱量については，今後試 験を重ねるとともに，杭材の熱伝導率及び循環水の 層流時の影響等を加味した，定量的な評価手法を検 討する必要がある． ４．融雪試験 (1)試験手順 融雪試験については図-1 と同様のシステムで行っ ており，融雪舗装体の脇には，融雪効果の比較のた めに無対策の舗装を設置している．融雪試験は流量 をパラメータとし，流量を 20Ｌ/min，5L/min， 10L/min と変化させている．各試験ケースにおいて は，積雪状況に応じて 10 日～20 日程度連続運転を 行い，採熱試験の計測項目に加え，各舗装体の鉛直 方向温度分布（図-5）及び融雪舗装体出入口部の循 環水温度を計測した．融雪量及び積雪量は，適時ロ ａ) 流量 Q=20 ㍑/min ｂ) 流量 Q=5 ㍑/min ｃ) 流量 Q=15 ㍑/min 図-6 積雪量変化 ットにて直接確認している． (2)試験結果 a)融雪状況 融雪状況について，積雪（融雪）量の経時的な変 化を表したグラフを図-6ａ)～c)に示す．全体的に， 無対策舗装に比べて融雪舗装の方が積雪量が少なく なっていることがわかる．また，急激な融雪性能は 期待できないが，積雪量が 30ｃｍを超える状況下に おいても，降雪時の積雪開始を遅らせる効果とあわ せて，概ね 2～3 日程度で完全に融雪されているのが 判る． 試験結果のうち，流量が 20Ｌ/min 時の図-6ａ）中 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 流量（L/min） 熱量（ W / m ） 札幌採熱試験結果 文献1） 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2月 8日 2月 9日 2月 10日 2月 11日 2月 12日 2月 13日 2月 14日 2月 15日 2月1 6日 2月 17日 2月 18日 2月1 9日 2月2 0日 2月 21日 2月 22日 2月 23日 2月2 4日 積雪深さ（ c m ） 融雪舗装 無対策舗装 計測期間 2006.02.09 12:00～2006.02.22 9：00 循環流量Q=5㍑/min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2月 20日 2月 22日 2月 24日 2月 26日 2月 28日 3月 2日 3月 4日 3月 6日 3月 8日 3月 10日 3月 12日 3月 14日 3月 16日 3月 18日 積雪 深さ （c m ） 融雪舗装 無対策舗装 計測期間 2006.02.22 9:00～03.15 8：30 循環流量Q=10㍑/min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1月 24日 1月 25日 1月 26日 1月 27日 1月 28日 1月 29日 1月 30 日 1月 31 日 2月 1日 2月 2日 2月 3日 2月 4日 2月 5日 2月 6日 2月 7日 2月 8日 2月 9日 2月 10日 2月 11日 積 雪深さ（ c m ） 融雪舗装 無対策舗装 計測期間 2006.01.25 16:00～02.09 10：00 循環流量 Q=20 ㍑ /min ① ② ③ 融雪舗装 地盤 G.L. 無対策舗装部 融雪舗装部 ‐10 ㎜ ‐80 ㎜ ‐150 ㎜ ‐10 ㎜ ‐30 ㎜ ‐50 ㎜ ‐100 ㎜ ‐170 ㎜ ‐500 ㎜ ‐1000 ㎜ ‐150 ㎜ ‐300 ㎜
ａ) 積雪前 ｂ) 降雪時 ｃ) 融雪後 写真-2 融雪状況 における①～③の状況を写真-2ａ）～ｃ）に示す． この場合，降雪後の積雪ピーク時から 24 時間後に は舗装体の表面が現れだしているのが判る． なお，図-6 のグラフ中で融雪舗装体の方が積雪量 の多い時点があるが，これは融雪舗装体に地吹雪等 で雪が堆積した影響と考えられる． 次に，融雪されていない場合の舗装表面状況の目 視確認を行った．その時の状況を写真-3 に示す． 確認を行ったのは，1 月 26 日で気温-3.5℃，積雪 量は融雪舗装体が 7.6ｃｍ，無対策舗装体は 4.6ｃｍ であった．融雪舗装体について一部の残雪を取り除 くと，舗装表面近傍ではシャーベット状になってお り融雪効果が確認できた．このことより,完全に融雪 されていなくても除雪の容易さ並びに車や歩行者が 通行することによる融雪の促進が期待できる. 一方，無対策舗装体については完全に凍結してお り舗装体に残雪がこびり付いている状態であった. b)舗装体の温度分布 次に，流量が 20L/min 時の舗装表面と循環水の経 時的な温度変化を図-7 に示す．舗装出入口の循環水 の温度差は概ね一定で推移しており，安定的に熱量 が供給されているのがわかる．また，積雪の状況下 では舗装表面温度も融雪舗装，無対策舗装ともに一 定値を示しており，融雪舗装体については，外気温 が-10℃を下まわっている状況においても表面温度 は 0℃以上を示し，舗装表面の凍結が防止されてい ることがわかる．ここでは，舗装体の表面温度が 0℃ を下まわっている状態を凍結と定義するものとする． 一方，完全に融雪されている状態（積雪なし）で は，舗装表面温度は外気温の影響を大きく受けて変 動しており，気温が-3℃～-4℃より低い場合には舗 装体表面も凍結している状態になっていることがわ かる． 積雪時並びに積雪ゼロ時（写真-4）のそれぞれの 状況に応じた舗装体鉛直方向の温度分布を図-8 に示 す．積雪時には，無対策舗装では舗装全体が凍結し ている状態にあるが，融雪舗装については積雪の保 温効果もあり，全体的に循環水の熱により温められ， 融雪・凍結防止効果が現れている．融雪後の積雪の ない状態では外気温変化の影響を受けるため，融雪 舗装の表面温度は-3℃近くまで低下しており，放熱 管から上部の範囲においてはその影響の程度が大き 計測小屋 熱交 換杭 2cm 融雪舗装部 無 対 策 舗 装 28cm ③ 2006.02.03 9:00 Q=20 ㍑ ① 2006.01.31 9:00 Q=20 ㍑ 計測小屋 熱交 換杭 15cm 0cm 融雪舗装部 無 対 策 舗 装 計測小屋 熱交 換杭 融雪舗装部 無対策舗装部 37cm 21.4cm ② 2006.02.02 8:10 Q=20 ㍑ 写真-3 舗装体表面の状況
写真-4 計測時の融雪状況 い．なお積雪状態にある無対策舗装と比べても，舗 装表面付近の温度については逆に温度が低く現れて いる． ５．熱量収支について (1)採熱量と放熱量との関係 融雪試験の各流量ケースにおける，融雪に利用した 放熱量並びに融雪試験時の熱交換杭の採熱量と循環 図-8 舗装体の鉛直方向温度分布 水流量との関係を図-9 に示す．なおグラフ中には，当初 の採熱試験で得られた採熱量と流量との関係を併せて 記載している．図-10 には，融雪に利用した放熱量と，そ れに照応する熱交換杭の採熱量とを棒グラフにて比較 している． 今回の試験の範囲において，融雪能力すなわち放 出熱量は循環水の流量が多いほど大きくなるが，流 量が 10L/min 以上の範囲では採取熱量と放出熱量と の乖離が大きく現れ，同一流量の下では採取熱量に 比べて放出熱量は小さい値となっている． ここで融雪能力を考える時に，当該融雪システム では，熱交換杭から出た循環水は一旦二つに分岐さ れ，それぞれ２ブロックに分けられた融雪舗装体に 流れているものであるから，各融雪舗装体に流れる 流量は熱交換杭に流れている流量の半分になってお り，その 2 ブロックの流量の合計と熱交換杭に流し ている流量が照応していることに留意する必要があ る． Q=20㍑/min 2006.1.25 18:00～2006.2.3 9:00 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 1440 2880 4320 5760 7200 8640 10080 11520 12960 経過時間（min） 温度（ ℃） 外気温 循環水温度（舗装体入口部） 循環水温度（舗装体出口部） 融雪舗装表面温度 無対策舗装表面温度 融雪舗装部（積雪ゼロ） 図-7 舗装表面及び循環水温度変化（20 ㍑/min） -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 -4 -2 0 2 4 温度（℃） 測定 位置（ ㎜） 融雪舗装（積雪なし） 融雪舗装（積雪時） 無対策舗装（積雪なし） 無対策舗装（積雪時） 外気温 -10℃ 舗装体天端 舗装体下端 放熱管位置 ※無対策舗装自体には、 常に積雪有り 2006.2.3 気温 約－10℃ ○積雪なし（無対策舗装は積雪有り） 2006.1.31 気温 約－10℃ ●積雪時
図-9 流量と採取熱量､放出熱量との関係 ６．まとめ 今回の試験範囲において，外気温が-10℃を下まわ るような状況においても，低温度な熱エネルギーの 単独利用による融雪システムの適用可能性を示すこ とが出来た． また，今回の融雪システムにおいて次のような知 見が得られた． 1) 流量の増加とともに熱交換杭による採熱量は増 加するが，20L/min 以上になるとその増加量は 逓減する傾向が見られる． 2) 流量の増加とともに熱交換杭の出入口温度差は 小さくなる．この流量と熱交換杭の出入口温度 差との関係は，一次式により近似できる． 3) 杭の採熱能力は，気温変化の影響下で連続運転 を行えば短期に比べ採熱能力は最大で 15％程度 低下する． 4) 低熱エネルギーの条件下では，路面凍結防止効 果を得られるほどの能力はないが，積雪の保温 効果により融雪効果は十分に得ることができる． 5) 今回の融雪面積においては，熱交換杭の採熱能 力と融雪舗装の融雪能力は概ね 10Ｌ/min で均 衡している． 次に，今後の課題について述べると，熱交換杭の 採熱能力については，地盤温度等の環境条件・熱交 換杭の内外管の熱伝導率及び循環水の物性値の影響 を加味した採熱能力の定量的な評価を確立する必要 がある．また，需要者の要求性能の見極め並びに低 コストを目的とし効率を高める必要がある．さらに は，循環水の流れの性質及び物性値が熱伝導（採熱 能力）に与える影響を把握する必要があると思われ る． 今回の研究開発は，北武コンサルタント株式会社 図-10 流量と熱量収支 と共同で行った成果を記したものである． 最後に，本研究に対して福井大学の福原輝幸教授 から貴重なご助言を頂いた．記して謝意を表します． 参考文献 1) 大竹英雄「地中熱源ヒートポンプ式ロードヒー ティングシステム」日本機会学会誌，vol.107， No.1032，p44，2004.11 2) 布施浩司ほか「省エネルギー型ロードヒーティ ングの性能評価試験」北海道開発土木研究所月 報，No.594，pp24-31，2002.11 3) 岡喜秋ほか「鋼板を利用したロードヒーティン グシステムの開発」北海道立工業試験場報告， NO.294，pp77-82，1995 4) 大木政弘ほか「掘削杭熱交換方式による地盤蓄 熱と路面温度制御」水工学論文集，第 41 巻， pp.587-592,1997 5) 福井県雪対策・建設技術研究所 年報地域技術 第 18 号,pp143-145,2005.7 6) 福原輝幸ほか「放熱管を有する舗装体の融雪能 力 特 性 」 水 工 学 論 文 集 , 第 36 巻 ,pp. 721-724,1992 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 5 10 15 20 25 流量（㍑/min） 熱量 （ ｋ ｗ ） 採取熱量 放出熱量 採熱試験結果 2006.01.25 0 .5 1 30 .5 2 0 0 .9 4 1 0 .7 1 0 1 .5 6 6 0 .9 1 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 熱量( ｋ Ｗ ）
5㍑/min 10㍑/min 20㍑/min
流量（L/min） 採取熱量 放出熱量
