迪特里希·施密特（Dietrich Schmidt）|秦江阳（Qinjiang Yang）|迪尔克·范霍特（Dirk Vanhoudt）|埃德蒙德·维德尔（Edmund Widl）|帕克达德·朗格鲁迪（Pakdad Langroudi）|马蒂厄·瓦莱（Mathieu Vallee）|穆罕默德-阿里·贾拉尔（Mohammed-Ali Jallal）|丹尼尔·穆希克（Daniel Muschick）|马库斯·格莱斯（Markus Gölles）|瓦伦丁·凯泽迈尔（Valentin Kaisermayer）|米凯莱·图恩齐（Michele Tunzi）
弗劳恩霍夫能源经济与能源系统技术研究所（Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology），德国卡塞尔（Kassel, Germany）
摘要 在向绿色能源系统转型的过程中，区域供热（District Heating, DH）系统在提高城市地区整合本地和可再生能源的灵活性、韧性和能力方面起着关键作用。传统上，区域供热网络的操作控制较为有限，难以确保所需供应并优化经济和环境绩效。近年来，随着新政策的出台和技术进步，数字基础设施应运而生，这对于实现第四代区域供热（4GDH）系统的转型至关重要。本文全面评估了区域供热系统数字化水平的现状和未来前景，概述了数字技术的最新进展及其在优化网络运营和管理中的应用。研究内容涵盖数字控制策略、数据分析、故障检测与诊断以及基于数字孪生和人工智能（AI）的预测性维护等方面，并将文献中的分析结果归纳为三个主要领域：需求侧的数字化、系统层面的数字化以及基础设施的数字化。此外，本文还基于早期采用者的经验，为新商业模式的复制性和可行性提供了参考。
引言 区域供热（DH）是一种高效的热能供应方式，可满足空间供暖、生活热水制备甚至工业过程的加热需求。通过优化能源使用并整合可再生能源，区域供热系统相比传统供暖方法能大幅降低温室气体排放。另一个优势是成本节约，规模经济和集中式系统的效率使DH对消费者更具成本效益，尤其是在人口密集的城市地区。此外，DH通过多样化能源来源和减少对进口燃料的依赖来增强能源安全，同时通过集中供热生产并采用更清洁的技术改善空气质量。总之，DH为城市供暖需求提供了一种高效且潜在低碳的解决方案（Averfalk等人，2021年）。
然而，能源系统的转型和脱碳也给DH行业带来了挑战。需要在供热传输过程中提高效率（例如通过降低系统温度[1]或更高效地运行DH网络）。此外，还需要通过整合可再生能源或废热来实现供热生产的脱碳。这增加了系统的复杂性，因为许多小型供热厂需要高效整合可变且有时不可预测的可再生能源。这些挑战源于脱碳需求、效率提升以及日益复杂系统结构的有效运行需求。在此背景下，数字化技术正得到广泛应用，先进的监控和控制系统以及智能电网技术被整合到DH网络中，以最大化系统性能[2]。
数字化是指在DH系统运营中越来越多地使用信息和通信技术（ICT）。这包括部署远程可读的计量设备、传感器，利用大量数据，并提升计算能力。这些进步能够确保整个DH供应链的最优控制和运行，借助机器学习和人工智能增强智能和分析能力。数字化还架起了虚拟世界与物理世界之间的桥梁，实现实时监控、控制和预测性维护。数字化包含三个关键方面：
数据：数字信息 分析：利用数据生成相关知识和见解 连接性：人、设备和机器之间的数据交换 数字化正在革新许多行业，DH行业也不例外。将数字技术整合到DH系统中为提高效率、可靠性和可持续性带来了重大机遇。数字化本身并非目标，而是优化DH（及其他）能源网络运行的手段。在具有多个小型供热源并与其他能源网络（如燃气网络或电网）互联的现代DH网络中，数字化是必不可少的，因为其运行误差比传统系统更小。即便在现有的传统DH网络中，数字化也能在成本、效率和运行可靠性方面带来显著收益[2]。
先进的监控系统、控制系统、自动化、智能电网、预测性维护和客户界面构成了DH行业数字化的基础。传感器和智能表计实现的实时监控提供了关于系统性能的全面数据，由中央控制系统进行分析[2]。自动化和先进控制系统利用算法及人工智能（AI）优化DH网络的运行，根据实时需求、实时和预测的天气条件及能源价格调整供热生产和分配[4]。智能电网进一步将DH与电网集成，提升电网稳定性并促进可再生能源的使用[5]。预测性维护利用数据预测设备故障，减少停机时间和维护成本[6]。客户界面（包括用户友好型应用程序）允许消费者远程监控和管理能源消耗[7]。DH数字化的未来趋势包括利用AI和机器学习进行进一步优化，物联网（IoT）设备的普及以实现更精细的监控和控制，区块链技术提升透明度和安全性，以及将DH与其他能源系统集成以实现更高效的能源管理[7]。尽管仍存在挑战，但数字化工具的持续进步和整合有望彻底改变城市环境中的供热生产、分配和消费方式[8]。
DH对于以经济高效和资源有效的方式应对能源系统的转型和脱碳问题至关重要。这些问题只有通过优化和数字化的系统才能解决[8]。DH行业在数字化方面需要赶上其他行业（如电力行业）。尽管已有相关研究报告[9]、[10]，但据作者所知，目前尚无关于DH行业数字化的完整科学综述文章。本文旨在概述DH行业数字化的现状及其对系统性能的改善作用，同时指出知识空白和未来改进的方向。
方法论 DH的主要功能是在城市环境中分配热能[11]。一般来说，DH是一个跨学科的供应概念，通常分为三个主要组成部分：热能生产、分配网络和终端消费者。本文的方法论重点讨论了DH运行条件下的数字化问题及其关键要素。
首先，文献回顾的内容根据主要方面进行了分类
需求侧的数字化 如果能够更好地了解或影响变电站背后的各个客户（如需要供暖和生活热水的建筑或工业设施），则可以从底层提升供热网络的效率。历史上，公用事业公司和DH运营商认为建筑是“复杂”的系统，对其供暖系统的了解和控制有限。图1示意性地展示了建筑与DH系统的典型连接方式
系统层面的数字化 如前一节所述，通过需求侧的数字化可以降低网络回水温度，并通过更高效和智能的控制方式提升变电站和建筑的灵活性。获取变电站和消费者数据对于预测热负荷分布至关重要，尤其是在仅靠热注入数据不足以满足需求时（由于地理位置和网络限制）。本节探讨了运营优化（4.1）以及分析和故障诊断
基础设施的数字化 前几节全面介绍了数字化在提升DH系统运营和维护方面的应用。本节探讨了数字孪生（Digital Twins, DTs）作为将这些技术付诸实践的手段，整合传感器数据、网络信息和算法，开发辅助DH基础设施运营商日常工作的数字服务。为此，本节介绍了DTs的概念并强调了其作用数字化区域供热系统中的物联网与网络安全 DH的数字化主要依赖于物联网（IoT）技术的整合和强大的网络安全措施，以确保可靠性、效率和韧性。IoT设备促进了实时数据采集、控制程序的自动化以及DHS内部的精细监控，但其实施带来了新的网络安全问题，必须有效应对[10]。区域供热数字化的当前差距与未来方向 本节总结了现有区域供热系统中存在的重大差距和局限性，指出了当前实践在效率、集成和运营灵活性方面的不足，并探讨了未来的数字化标准和基础设施如何解决这些问题，引导区域供热网络向更智能和响应迅速的方向发展。结论 能源系统的转型带来了新的挑战，这对DH行业而言尤为显著。随着能源供应脱碳的紧迫性增加，区域供热将在未来能源系统中发挥更加重要且复杂的角色。DH网络需要更高效地运行，并整合更广泛的热能供应方式，以确保热能的可靠和可负担供应。同时，数字技术的日益普及
CRediT作者贡献声明 帕克达德·朗格鲁迪（Pakdad Langroudi）： 撰写初稿、验证、方法论设计。穆罕默德-阿里·贾拉尔（Mohammed-Ali Jallal）： 撰写初稿、方法论设计、研究、形式分析。马蒂厄·瓦莱（Mathieu Vallee）： 撰写初稿、验证、概念化。马库斯·格莱斯（Markus Gölles）： 撰写初稿、验证、概念化。丹尼尔·穆希克（Daniel Muschick）： 撰写初稿、研究。迪特里希·施密特（Dietrich Schmidt）： 审稿与编辑、撰写初稿、监督、项目管理、概念化。
利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢 本文基于国际能源署（IEA）DHC附件TS4工作组的研究计划，该工作组汇集了来自多个国家的领域专家。这项合作研究得到了多个国家机构和行业合作伙伴的支持：弗拉芒技术研究院（Flemish Institute for Technological Research, VITO NV） 和丹麦技术大学（Technical University of Denmark）土木工程系 在博士项目DTU_PhD_2201_contract下的资助；EUDP 项目编号64019–0554和64019–0545；弗劳恩霍夫能源经济与能源系统技术研究所（Fraunhofer IEE BMWE）的资助
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