主动防冰技术应用研究发展报告

1、主动防冰技术应用研究发展报告汇汇报报提提纲纲 冬季运营安全问题冬季运营安全问题1 国内外防冰、除冰技术现状国内外防冰、除冰技术现状2主动式智能防冰系统介绍主动式智能防冰系统介绍31 1、冬季道路运营的安全问题、冬季道路运营的安全问题2014年底，中国高速公路通车总里程达到11.2万公里，超过美国居于世界第一中国民用机动车保有量已达2.64亿辆,其中汽车1.54亿辆,汽车数量仅次于美国居世界第二位我国万车死亡率为6.2，是发达国家的4至8倍因恶劣天气导致交通事故死亡人数逐年增加 12% 左右冰雪状况是影响公路交通安全，造成公路交通事故的一个重要因素冬季的降雪通常会以浮雪、积雪和积冰三种形式滞留于

2、路面正常干燥沥青路面的摩擦系数为0.6，雨天路面摩擦系数降为0.4，雪天则为0.28，结冰路面只有0.18，结冰路面汽车制动距离为正常道路的67倍，极容易造成交通事故另外，隐形杀手“黑冰”黑冰(Black Ice)指的是一种很薄的、覆盖在道路上难以发现的冰层。由于其厚度很薄，道路本身的柏油颜色会从其中透射出来，造成本身冰面的被视度很低，与道路融为一体，极难被发现。 这种黑色的薄冰，由于其本身温度并不是特别低，所以在冰的表面有一层融化的水，让这种冰比温度低的厚冰滑很多。黑冰会让车辆失去控制，打滑、打转、刹车距离显着延长，是最危险的道路杀手之一。受局部气候受冻雨影响形成，这给气象预测和路政养护管理

3、也带来了很大的难度。最经常出现的地方是临近水域或是比较潮湿的地方，例如河湖边、以及潮湿的山谷的低洼处的道路特别是桥梁 在北方寒冷地区，冬季交通事故率比其他季节高出20%左右。根据对世界主要大中城市进行调查得出的结论，因道路结冰造成的交通事故占冬季交通事故总量的35%以上。 首先，在大范围长时间普降大雪的情况下，全面彻底解决高速公路除冰问题仍然是一个世界性的难题，只能综合利用管理和技术手段减少损失，降低影响。 但是，一些易结冰路段或事故高发路段应当采取一些主动式的防冰技术手段，可以显著减低事故率，起到事半功倍的效果。特殊路段特殊路段（如特大桥梁、长上坡、长下坡、桥面、迎风面和特殊路段（如特大桥梁

4、、长上坡、长下坡、桥面、迎风面和风口路段），易出现黑冰、结冰时间早、冰层厚且不易融化风口路段），易出现黑冰、结冰时间早、冰层厚且不易融化，容易引发交通事故，是防冰、除冰工作的重点，特别是特，容易引发交通事故，是防冰、除冰工作的重点，特别是特大型桥梁防冰除冰问题。大型桥梁防冰除冰问题。 特大桥梁特大桥梁长上下坡长上下坡风口路段风口路段高速公路特殊路段在结冰初期极易引发交通高速公路特殊路段在结冰初期极易引发交通事故，因此解决这些路段在结冰初期（事故事故，因此解决这些路段在结冰初期（事故高发阶段）的防冰、除冰问题成为解决问题高发阶段）的防冰、除冰问题成为解决问题的关键一环。的关键一环。被动除冰雪技术

5、撒融雪剂人工清除机械清除氯化物融雪剂环保型融雪剂铲雪车吹雪车融雪车主动除冰雪技术热力融雪添加抗凝冰材料抑制冻结铺装发热电缆太阳能发热添加橡胶颗粒镶嵌弹性物质粗糙路面导电混凝土路面涂层相变储能材料地热管主动式智能喷洒防冰除冰系统二、国内外防冰除冰技术研究现状二、国内外防冰除冰技术研究现状二、国内外防冰除冰技术研究现状二、国内外防冰除冰技术研究现状路面除冰雪技术（1）“氯盐类”融雪剂 （2）环保型融雪剂 氯化钠（工业盐）、氯化钙、氯化钾、氯化镁：氯化钠（工业盐）、氯化钙、氯化钾、氯化镁：价格便宜价格便宜腐蚀破坏性强腐蚀破坏性强容易造成环境污染容易造成环境污染危害人体健康危害人体健康 醋酸钾、醋酸钙

6、镁、生物降解化除冰融雪剂：醋酸钾、醋酸钙镁、生物降解化除冰融雪剂：价格高价格高融雪效果好融雪效果好对路面桥梁腐蚀很小对路面桥梁腐蚀很小对环境无污染对环境无污染融雪剂融雪剂2 2、国内外防冰除冰技术研究现状（被动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（被动除冰雪技术）撒盐除冰难以控制盐的用量、撒盐分布不均匀撒盐除冰难以控制盐的用量、撒盐分布不均匀黑冰较难发现黑冰较难发现2.1热力融雪在路面内部安装发热装置融化冰雪，安全环保、融雪速度快，但能耗大、费用高、施工难度大，对路面材料、结构都有要求，后期维护需要挖开路面。 发热电缆地热管太阳能加热导电混凝土相变材料铺设发热电缆或电热丝，产生热量，融化冰

7、雪。铺设发热电缆或电热丝，产生热量，融化冰雪。 铺设换热管道，将地热传导至路面，融化冰雪。铺设换热管道，将地热传导至路面，融化冰雪。 建造太阳能转化储热装置，夏季存能于路基下的土建造太阳能转化储热装置，夏季存能于路基下的土壤中，冬季释放能量融雪除冰。壤中，冬季释放能量融雪除冰。 混凝土中加入导电碳纤维，利用电能使之发热，除冰融雪混凝土中加入导电碳纤维，利用电能使之发热，除冰融雪。 一种特殊有机物相变材料（一种特殊有机物相变材料（PCM）由液态转化）由液态转化为固态时释放大量热能，融化冰雪。为固态时释放大量热能，融化冰雪。 湖北恩施州省道南湖北恩施州省道南（湖南省石门县南（湖南省石门县南北镇）鹤

8、（湖北鹤北镇）鹤（湖北鹤峰县）线大垭桥隧峰县）线大垭桥隧群全长群全长3.7公里公里2 2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）2012年，湖南省郴宁高速公路连接线匝道桥面进行了85m试验段施工，每平米区域内可溶解平均厚度达10mm的冰层，工程造价为每平米400元500元左右，其融冰效果短期较好。 2.2 2.2 添加抗凝冰材料添加抗凝冰材料在沥青混合料中添加在沥青混合料中添加浓缩浓缩氯化钠和氯化钙等盐化物，路面经水浸泡后能释放抗氯化钠和氯化钙等盐化物，路面经水浸泡后能释放抗冰盐物质，可降低冰点有效阻止和延缓路面结冰冰盐物质，可降低冰点有效阻

9、止和延缓路面结冰。建设施工成本较高，对沥青混凝土的路用性能（如动稳定 、残留稳定度、破坏应变、冻融劈裂强度比）和环境均有影响，只适用于短期低温少量冰雪环境，防冰35年，使用后期除冰效果会下降。 2 2、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术） 20122012年，湖南省长湘高速公路马鞍山高架桥段应用此技术的示范工程完工每平米造价年，湖南省长湘高速公路马鞍山高架桥段应用此技术的示范工程完工每平米造价180180元（其中抗凝冰外掺材料元（其中抗凝冰外掺材料100100元元/m/m2 2）。）。 2.32.3抑制冻抑制冻结铺装结铺装添加橡胶颗粒添加橡胶颗粒

10、镶嵌类技术镶嵌类技术 粗糙路面粗糙路面 建设施工成本较高，对路面性能和耐久度有影响，只适用于短期低温少量冰雪环境。2 2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）添加一定量的特殊材料，改变路面与轮胎接触状态和路面形变特性，路面在外荷载下添加一定量的特殊材料，改变路面与轮胎接触状态和路面形变特性，路面在外荷载下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化产生的自应力，使路面冰雪破碎融化。2.42.4 智能防冰除冰系统智能防冰除冰系统2 2、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）l 从欧美等国首先兴起的综合性技术，将

11、气象信息与防冰除冰统筹考虑，把传统除冰手段和工业自动控制技术、计算机软件技术以及传感器技术相结合，具有预见性，催使除冰模式从被动除冰向主动转变。l 初期建设投入较大，但其具有长期有效、智能化信息化程度高、主动性强等优点，特别适合一些重要路段和大型桥梁。 2.4 2.4 智能防冰除冰系统智能防冰除冰系统（1）美国弗吉尼亚州自动喷淋桥面防冰系统（FAST）1997年美国弗吉尼亚州，桥长56米，由欧丁神系统国际(Odin System Internationals)公司研制，这也是美国现阶段唯一的技术比较成熟的系统。l 建设和营运成本较高，建设成本折合人民币（按当前汇率6.14计算）为约690万/k

12、m。l 防冰除冰的范围仅一个车道宽度，喷洒系统需改进 FAST抗冰效果2 2、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术现状（主动除冰雪技术）2.4 2.4 智能防冰除冰系统智能防冰除冰系统2 2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）（2）瑞士波雄公司的固定式除冰喷洒系统l多种地埋式、路侧式的喷头，以适应不同宽度、形状和行车特点的路面l强大的后台管理系统实现喷洒的精准控制，获取系统运行的详细状态，集中管理l高度集成的传感器和控制系统实现无人管理和远程管理 2.4 2.4 智能防冰除冰系统智能防冰除冰系统2 2、国内外防冰除

13、冰技术研究现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）（3）芬兰维萨拉公司的固定式防冰喷洒系统(FAST) 系统特点：l 准确性l 及时性l 便利性 FAST包括以下几部分：l 融雪剂贮液罐l 真空输液泵、管路及控制系统l 喷嘴 埋入式嵌装在路面上 路侧式安装在护栏上l 交通气象站监测路面变化，根据设定控制系统启/停。l 网络接口，用于远程手动控制 2 2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）2.4 2.4 主动式主动式智能防冰除冰喷洒系统智能防冰除冰喷洒系统（4）湖南省交通运输厅课题项目研制的桥梁主动式智能防冰除冰

14、喷洒系统l2013年， “公路桥梁主动式智能自动防冰除冰喷洒系统工程应用研究及开发” 课题，取得阶段性成果，国内首次在湖南汝郴高速公路黄家垅特大桥上作为试点项目已经安装实施，具有较好的抗冰效果。l衡桂高速公路的老屋场特大桥防冰除冰喷洒系统也已经建设完成。 2.5 路面涂层技术路面涂层技术 使用特制的粘结材料将一种环保型的融雪物质附着在路面表面，融化路面积雪使用特制的粘结材料将一种环保型的融雪物质附着在路面表面，融化路面积雪。 国内外，西安中交万里新材料有限公司独自拥有环保型抗冰涂层材料国内外，西安中交万里新材料有限公司独自拥有环保型抗冰涂层材料（倍福瑞（倍福瑞（PavSafePavSafe）在

15、国内的雅西高速下鲁坝桥、国道）在国内的雅西高速下鲁坝桥、国道108108线巫山脚下、贵阳市线巫山脚下、贵阳市西南环线沙河特大桥等地有投入试用。西南环线沙河特大桥等地有投入试用。 l 建设施工成本偏高，运行成本低l技术不够成熟，多次涂装降低路面抗滑性能l适用于短期低温少量冰雪环境，冰冻初期抗冰有效 2 2、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）、国内外防冰除冰技术研究现状（主动除冰雪技术）2.62.6 小结小结2 2、国内外防冰除冰技术研究现状、国内外防冰除冰技术研究现状综上述，目前主动抗冰技术普遍存在技术不成熟、施工复杂、维护困难、使用局限性强和成本高昂等问题。主动式智能防冰、除冰喷洒系

16、统经过不断的优化和工程实践，在国外尤其北美地区得到了更多应用推广。在国内经过不断地技术攻关，在技术上更加成熟可靠、施工简单可控、造价经济合理、后期维护简单，应用前景广阔。3 3、主动式智能防冰除冰喷洒系统、主动式智能防冰除冰喷洒系统3.1 3.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍“公路桥梁公路桥梁主动主动式智能防冰除冰式智能防冰除冰喷洒喷洒系统工程应用研究及开发系统工程应用研究及开发”是是2013年度省交通年度省交通运输厅科技进步与创新项目计划立项的课题之一。目前该课题已取得阶段性成运输厅科技进步与创新项目计划立项的课题之一。目前该课题已取得阶段性成果果。汝郴高速公

17、路黄家陇特大桥主动式智能防冰除冰喷洒系统实景图3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍是整个系统的“眼睛”，可以实时采集桥梁上的大气温度、大气湿度、路面温度、路面状态（冰、雪、水、霜）等气象信息，传入控制中心建模分析后得出湿滑系数等控制参数。Vaisala-DSC111远程表面状态传感器Vaisala- DST111远程表面温度传感器（1）路面气象信息系统）路面气象信息系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍采用PLC控制系统，由一个总站控制中心和8个分站控制箱协同控制实现。具

18、有手动、自动两种工作模式和远程无线通讯报警功能。控制柜分站箱（2）处理控制子系统）处理控制子系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍液压管道液压管道泵站泵站喷淋系统喷淋系统喷嘴喷嘴（3）喷淋子系统）喷淋子系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍（3）喷淋子系统）喷淋子系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍1泵泵 站站包括两个除冰液存储罐、液位计、离心泵、电磁流量计和压力表。采用混凝土框架结构，长宽高为：9*7

19、.2*5.5m（3）喷淋子系统）喷淋子系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍喷喷 嘴嘴喷嘴是整个系统的核心部件，每6m一个安装于护栏上，它在工作压力下喷射距离可以达到11m，同时通过旋转喷洒能够实现将除冰液均匀喷洒于桥面上。RAINBIRD旋转喷嘴护栏内侧垂直安装（3）喷淋子系统）喷淋子系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍管道管道系系统统主管管径：DN100；支管管径：DN50、DN20每组DN50管上安装一个球阀、减压阀、电磁阀、流量开关和压力开关， DN20管上

20、连接8个喷嘴，从而构成一个执行设备组，负责根据控制中心指令开关电磁阀控制喷嘴。球阀减压阀电磁阀流量开关压力开关DN100DN50DN20为智能防冰除冰系统及其子系统提供动力电源，保证系统的控制信号、各传感器采集的数据和反馈信号的正常稳定地传输。配电箱输电电缆供配电单元供配电单元支持子系统支持子系统光纤信号电缆光电传输单元光电传输单元压力开关流量开关故障自诊断单元故障自诊断单元通信接口（4）支持子系统）支持子系统 3.1.1 系统组成 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍自动接收气象传感器的检测数据，并将检测数据与设定的判定条件比较自动接收气象传感器的检测数

21、据，并将检测数据与设定的判定条件比较，以确定是否启动喷淋系统。喷淋系统启动后根据喷洒时间自动控制各，以确定是否启动喷淋系统。喷淋系统启动后根据喷洒时间自动控制各个单元喷嘴的启动。个单元喷嘴的启动。喷淋完成后，系统自动监测路面抗滑系数的变化，喷淋完成后，系统自动监测路面抗滑系数的变化，若由大变小则进行第二次喷淋。若由大变小则进行第二次喷淋。3.1.2 工作原理 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍12345气象及路面状况信息自动监测采集自动工作模式，智能判断，自动启动防冰除冰喷淋系统手动工作模式，人工启动系统工作无线通讯功能故障自诊断和报警功能3.1.3 系

22、统功能 3.13.1 主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍主动式智能防冰除冰喷洒系统介绍38结合海绵城市建设，将收集的城市降水进行净化，输送至净化水储存罐（也可直接使用城市用水），根据路面气温、湿度等信息，可以冬季自动喷洒防冰液，夏季自动喷洒清水，实现夏季高架桥桥面的除尘、降温，可全路段同时作业，启动快，效率高，同时对高架桥车辆通行不产生任何影响，美化环境，减少灰尘、提高路面使用寿命。雨水回收池净化装置回收除冰液除冰液储存罐净化水储存罐城市灌溉系统净化水净化水喷淋系统冬季除冰夏季除尘3.23.2 主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展主动式智能防冰、除尘

23、、降温一体化系统主动式智能防冰、除尘、降温一体化系统（1 1）除冰理念的创新：由传统被动的除冰理念转变为主动的防冰理念，达到事半功倍，节能高效。道路路面）除冰理念的创新：由传统被动的除冰理念转变为主动的防冰理念，达到事半功倍，节能高效。道路路面和冰雪粘连后再去除冰的难度要比粘连前困难几十倍。因此，防冰比除冰的效率高几十倍，更为有效。和冰雪粘连后再去除冰的难度要比粘连前困难几十倍。因此，防冰比除冰的效率高几十倍，更为有效。 （2 2）生态环保、综合利用水资源的理念与技术创新：结合）生态环保、综合利用水资源的理念与技术创新：结合“海绵城市海绵城市”的先进设计理念，收集路的先进设计理念，收集路（桥）

24、面自然降水，通过闭水循环、净化、分储系统，实现道路桥梁防冰、除尘、降温功能一体化，（桥）面自然降水，通过闭水循环、净化、分储系统，实现道路桥梁防冰、除尘、降温功能一体化，既提高了路（桥）面防冰的能力，保障交通安全，又实现自然径流的循环利用，保护了生态环境，实既提高了路（桥）面防冰的能力，保障交通安全，又实现自然径流的循环利用，保护了生态环境，实现海绵城市的目标。现海绵城市的目标。393.23.2 主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展本系统的创新点本系统的创新点 （3 3）道路养护管理理念与技术的创新：由单一养护系统革新为综合多功能养护系统，将冬季

25、防冰除冰、平时）道路养护管理理念与技术的创新：由单一养护系统革新为综合多功能养护系统，将冬季防冰除冰、平时除尘绿化灌溉、夏季路面降温、紧急情况配合消防灭火的功能整合到一个综合的系统里。这个理念创新的支撑除尘绿化灌溉、夏季路面降温、紧急情况配合消防灭火的功能整合到一个综合的系统里。这个理念创新的支撑点就是雨水收集、净化、分储系统研发与新型智能喷淋系统的研发。点就是雨水收集、净化、分储系统研发与新型智能喷淋系统的研发。 （4 4）环保型防冰剂的循环使用理念与技术创新：由于新型环保型防冰剂中）环保型防冰剂的循环使用理念与技术创新：由于新型环保型防冰剂中80%80%为水，为水，20%20%为有为有机防

26、冻剂组分，所以利用径流水收集、净化、分储系统研可实现环保型除冰剂的闭路循机防冻剂组分，所以利用径流水收集、净化、分储系统研可实现环保型除冰剂的闭路循环使用，可以降低对周围环境的影响，并极大提高防冰、除冰系统的经济性能环使用，可以降低对周围环境的影响，并极大提高防冰、除冰系统的经济性能 （5 5）整体系统的可持续性特征：首先是环境上的可持续性，通过雨水径流收集、循环再利用：）整体系统的可持续性特征：首先是环境上的可持续性，通过雨水径流收集、循环再利用：防冰、除尘、降温、灌溉、消防等多功能使用，实现生态发展的可持续性；其次经济上的可持防冰、除尘、降温、灌溉、消防等多功能使用，实现生态发展的可持续性

27、；其次经济上的可持续性，通过对环保型防冰剂的收集与循环使用，极大提高冬季防冰系统使用的经济性能。续性，通过对环保型防冰剂的收集与循环使用，极大提高冬季防冰系统使用的经济性能。403.23.2 主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展本系统的创新点本系统的创新点41关键技术关键技术1：路面局部气象信息与路面：路面局部气象信息与路面实时实时状态状态采集技术采集技术降水降水下雪下雪相对湿相对湿 度度气气 温温风风 速速风风 向向能见度能见度雾和霜雾和霜降水量降水量太阳辐射太阳辐射下雪厚度下雪厚度其它其它采用小型气象站与主被动式传感器，全面、实时采集各种气象

28、与路面状况信息，是保证智能除冰系统运行的前提。3.23.2 主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展主动式智能防冰喷洒系统的深化研究及功能拓展本系统解决的关键技术本系统解决的关键技术42关键技术关键技术2：道路桥梁短时结冰预测模型的优化研究道路桥梁短时结冰预测模型的优化研究图图1. 摩擦系数摩擦系数图图2. 路面温度路面温度图图3. 水膜高度水膜高度图图4. 路面状况路面状况冰点预测与控制策略是本系统能够有效运行的关键，在恶劣气候条件下，路面出现抗滑能力不足是导致往来车辆发生交通事故的根源，冰雪天气下，路面抗滑能力受到路面湿度、温度、路面材料类型等多种因素影响。本系统解决的关键技术本系统解决

29、的关键技术43关键技术关键技术3：长：长距离管网压力恒定控制技术距离管网压力恒定控制技术在长达几千米的防冰液传输管路中，维持恒压输送，保证数百乃至上千个端头（即喷嘴）压力保持均衡、稳定是本系统的另一项关键技术。需要针对不同工程实施位置、线路长度、坡度、高程等信息，通过室内试验、数值模拟等手段，确定管网压力和控制器参数，开发研制专用控制器。本系统解决的关键技术本系统解决的关键技术44关键技术关键技术4：群喷、单喷现场、远程控制优化技术群喷、单喷现场、远程控制优化技术根据主线和匝道宽度以及喷嘴安装位置，需要研制能够同时满足喷洒距离、喷射角度、均匀喷洒等条件，且具有过滤装置、防堵塞、耐腐蚀等功能的喷嘴。结合恒压管路、控制器，形成独特的喷淋系统。本系统解决的关键技术本系统解决的关键技术45关键技术关键技术5：环保型除冰液