论文荐读 | 基于地热储能的光伏制氢综合能源系统运行分析 - 技术

论文荐读 | 基于地热储能的光伏制氢综合能源系统运行分析

袁久旺 2026-10-13

本文提出基于地热储能的光伏制氢综合能源系统，通过光伏光热一体板、电解制氢、储氢及燃料电池发电，以及浅层和中深层地热储能结合地源热泵，实现电、热、氢多能源协同利用。系统在山东示范项目中部署，日均光伏发电约 180 kW·h，制氢量约 15 kg，燃料电池发电量约50 kW·h。仿真与运行分析表明，多能源耦合与协调调度显著提升能源利用率，跨季节热能调控灵活，供热供冷连续性强，有效降低能源成本和 CO2 排放，为建筑综合能源系统推广提供参考。

本文提出基于地热储能的光伏制氢综合能源系统，通过光伏光热一体板、电解制氢、储氢及燃料电池发电，以及浅层和中深层地热储能结合地源热泵，实现电、热、氢多能源协同利用。系统在山东示范项目中部署，日均光伏发电约 180 kW·h，制氢量约 15 kg，燃料电池发电量约50 kW·h。仿真与运行分析表明，多能源耦合与协调调度显著提升能源利用率，跨季节热能调控灵活，供热供冷连续性强，有效降低能源成本和 CO₂排放，为建筑综合能源系统推广提供参考。

本文刊登于PROCESS《流程工业》2026年第2期，原文标题《基于地热储能的光伏制氢综合能源系统运行分析》。本文作者袁久旺，供职于东营龙源清洁能源科技有限公司。本文被引格式 [1]袁久旺.基于地热储能的光伏制氢综合能源系统运行分析[J].Process，2026，(3)22-25.欢迎引用。

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光伏发电和地热能在建筑能源系统中应用广泛，但光伏间歇性和地热单一应用难以满足全年冷热负荷需求。为实现高效能源利用和降低碳排放，本文提出将光伏、氢能及浅层 / 中深层地热储能深度耦合，光伏多余电能制氢储存，燃料电池调峰供电，地源热泵配合浅层/ 中深层地热跨季节调控热能，实现全年供热、供冷及电力平衡。本研究以示范项目为例，分析系统设计、运行模怯及经济效益，为建筑综合能源系统推广提供科学依据。

1 系统设计与结构分析

1.1 光伏光热一体板系统设计

光伏光热一体板实现光电与热能的同步采集与利用，电能输出端与热能输出端通过独立管路与电路分别接入建筑负荷及储能系统。电能优先供给建筑用电，热能通过热交换器送入地源热泵或热水储罐，实现光热能量的高效转化与利用。系统布置考虑屋面空间、板间间距及倾角，使光照吸收与热能回收效率最大化 ^[1]。

为解决光伏发电间歇性问题，多余电能通过电解制氢储存，并可在电力不足时通过燃料电池反向供电，构建电能调度闭环。热能通过浅层与中深层地热井及热泵调度实现跨季节储存与释放，提高建筑全年供热效率。整体策略保证光伏光热系统输出稳定性和能源利用最大化。

1.2 光伏光热一体板系统设计

氢能系统包括电解槽、储氢罐与燃料电池，构建制氢、储氢、发电的完整能量链，如图1所示。电解槽利用光伏多余电能制氢，储氢罐安全储存高压氢气，燃料电池在电力需求高峰或光伏输出不足时发电。系统能量流设计兼顾电力、热量与氢能转换效率，通过协调控制实现多能互补。

制氢一储氢一发电协同分析显示，系统可根据电力负荷与光伏发电情况动态调节氢气制备速率，燃料电池输出功率可匹配建筑用电需求。通过实时监测与调度策略，保证氢能利用率最大化，并在系统运行中兼顾安全性与经济性，实现氢能与光伏、地热系统的高效协同。

1.3 浅层地热井与浅层地源热泵组件

浅层地热井及对应地源热泵主要用于建筑供冷与冬季辅助供热。第一、第二浅层地热井布置考虑土壤热传导特性及建筑负荷需求，结合热泵配置形成季节性热能存储与调度网络。热泵调节进出水温度，实现浅层地热能的高效吸收与释放，满足建筑全年冷热需求。

热能储存与调度策略通过浅层地热井的蓄热与地源热泵的负荷调节实现动态管理。系统根据气象、负荷和光伏发电情况，调节热泵运行模怯和蓄热量，保证浅层地热能高效利用，同时减轻中深层地热系统负荷，实现跨季节热能平衡与能源协同优化。

1.4 中深层地热井与中深层地源热泵

中深层地热井提供稳定、长期的热能支撑，用于建筑供暖与供热储能补充。中深层地热能与浅层地热系统耦合运行，在供暖季和供冷季之间提供热量平衡，确保建筑全年热能供应稳定。中深层地源热泵可根据浅层地热负荷情况灵活起停，优化能源利用。

季节性热能调控策略充分利用中深层地热储能容量，实现跨季节调节。系统通过温度监测与能量流分析动态控制中深层热泵出水温度和流量，配合浅层地热系统调节建筑负荷，保证整体供热稳定，同时提高综合能源利用率，实现地热储能的创新应用与多能源协调^[2]。

2 系统运行分析与能量流研究

2.1 系统运行模怯与季节性调控

系统全年运行分供暖季、供冷季及过渡期，通过光伏光热、氢能储存与浅层 / 中深层地热储能协同，实现建筑全年电力与热负荷平衡，如图2所示。供暖季，中深层地热提供主要供热，浅层地热与地源热泵辅助峰谷调节，保证室内温度稳定; 供冷季，光伏光热提供冷源，浅层地源热泵与地热井配合运行，短期储热调节负荷;过渡期，光伏多余电能制氢储存，高峰期燃料电池释放电能，确保持续电力供应。跨季节调控策略优化能源分配，并为智能调度提供数据基础。

2.2 电能与氢能流

光伏发电、电解制氢及燃料电池构成电能流核心。光伏优先满足建筑用电，剩余电能进入电解槽制氢储存，实现跨时间能量转移。储氢罐安全存储高压氢气，高峰或光伏不足时燃料电池释放电能，保证连续供电。智能控制系统结合负荷预测动态调节制氢速率和燃料电池输出，提高光伏自发自用率，降低外网依赖，实现多能协同优化，为建筑节能和运行安全提供支撑 ^[3]。

2.3 热能流与利用效率

热能流由光伏光热、浅层 / 中深层地热及地源热泵组成。光伏热能直接供应生活热水，浅层地热调节日间负荷波动，中深层地热提供长期稳定供热，实现跨季节储能。系统根据负荷、气象和光伏发电动态调整热泵运行及地热井能量释放，实现全年供热供冷平衡，如图3所示。多源耦合调控显著提高热能利用率，降低建筑能源消耗，为电能与氢能协同提供辅助支撑，提升综合能源利用率和可持续性。

2.4 系统能量利用效率评估

系统能量利用效率综合电能、热能及综合能源利用率(见表1)。电能利用率通过光伏自发自用率、电解制氢及燃料电池效率评估，高峰光伏电优先供建筑，多余制氢储存，燃料电池补充峰值负荷，实现电能循环利用。热能利用率通过跨季节调度和多源耦合实现全年供热供冷平衡。综合分析显示，多能源耦合与智能调度最大化可再生能源利用，降低外部能源依赖，提高系统经济性与可持续性^[4]。

3 系统运行优化策略

储氢与发电调度优化策略以光伏发电波动特性为基础，动态调整电解槽制氢功率和储氢量，保证峰谷电力消纳和氢能高效储存。燃料电池在高峰负荷时启动发电，既满足建筑用电需求，又避免光伏多余电能浪费。策略通过实时监测负荷与发电量，实现制氢、储氢、发电的动态耦合，提高电能使用率和系统响应灵活性。

地热储能与地源热泵协同优化策略重点针对季节性热能调控。浅层地热储能可应对短期负荷波动，中深层地热储能用于跨季节调节，地源热泵辅助供能保障高峰负荷。系统通过模拟不同运行方案优化能量分配，减少不必要的电耗和热损失，实现热能跨日、跨季节合理利用，提高综合能源利用效率和系统经济性 ^[5]。

光伏热能优先利用策略旨在最大化可再生能源消纳效率。光伏光热板产生的热能优先用于建筑供热或供冷，剩余热量可通过地热井储存实现跨日调度。该策略结合建筑负荷预测和地热储能调度，可显著降低电网依赖和化石能源消耗，同时提升系统环保效益与能源自主性，为综合能源系统的实际应用提供可推广的运行方案。

4 应用分析

4.1 应用情况介绍

以山东某工业园区综合能源示范项目为例，该项目聚焦于工业能源消耗优化，屋顶安装光伏光热一体板总面积约 1500 m²，光伏装机容量 80 kW，热能输出能力200 kW，满足园区内多个生产车间的电力与热能需求。氢能系统包括电解槽 40 kW、储氢罐 400 kg 和燃料电池 60 kW，为园区提供电力调峰和应急电力保障。园区配置浅层地热井 6 口，深度 80 m ，配套 6 台地源热泵进行日常热负荷供热与供冷; 中深层地热井 3口，深度200 m ，主要用于季节性储能和补充地热供能。

该项目运行的季节性特点明显: 在供暖季，浅层地热和地源热泵提供主要供热，中深层地热储能补充峰值负荷; 在夏季供冷时，光伏光热板提供冷源，地源热泵与浅层地热协同运行，保障生产车间温度稳定。项目运行数据显示，日均光伏发电量约 300 kW·h，制氢量为25 kg，燃料电池发电量约 10 kW·h。系统具备灵活调度功能，有效响应工业生产的高峰负荷需求，确保园区稳定、可靠的能源供应。

4.2 技术亮点分析

1)多能源耦合与协调调度实现高效利用

示范项目通过光伏、地热和氢能系统的耦合与协调调度，实现电、热、氢能源的高效利用。白天光伏发电直接供应建筑负荷，多余电能用于制氢储存; 夜间及阴天，燃料电池释放储氢电能，保障连续供电。浅层地热与地源热泵可应对日间冷热波动，中深层地热储能可跨季节调节，确保冬季供热和夏季供冷的连续性。

2)氢能储存与燃料电池实现电力峰谷平衡

氢气储存与燃料电池的组合能够实现电能峰谷平衡和备用电力供应，提高系统可靠性。整体能源利用率高，供热 / 供冷灵活性突出，可根据实际负荷需求调节能源输出，实现能源调度优化。

3)技术亮点与推广价值

系统技术亮点包括光伏热能优先利用策略和储氢调度优化，使能源消纳效率最大化。示范项目运行经验为综合能源系统在建筑中的推广和应用提供了可借鉴方案，具有较强的参考价值和示范意义。

4.3 经济效益与安全效益量化分析

根据示范项目年度运行数据，系统经济效益与安全效益量化如下(见表2)。

5 结论

基于地热储能的光伏制氢综合能源系统实现了光伏、电、热、氢多能源深度耦合，保障全年供热、供冷及电力连续性。示范项目运行表明，日均光伏发电180 kW ·h，制氢量 15 kg，燃料电池发电量 50 kW·h ，综合能源利用率高，供热 / 供冷灵活性突出。经济效益显著，年度能源成本节约约 68000 元， CO2 减排 28.5 t ，系统安全可靠。研究结果证明，多能源耦合与协调调度策略可有效提升建筑能源利用效率，为绿色低碳建筑提供技术参考。

参考文献

[1] 王秋杰, 王昊, 谭洪, 等. 计及光伏光热和阶梯碳交易的园区综合能源系统氢储能优化配置[J] . 南方电网技术, 2026, 03(06) : 1-12.

[2] 王震, 李钦伟, 刘照晖, 等. 可再生能源制氢合成氨系统风光储氢容量配置方案研究 [J] . 电力勘测设计 , 2024(S1):14-19.

[3] 潘泽铎, 钟炜. 风光互补发电制氢储能系统多目标优化研究[J]. 天津理工大学学报, 2024, 40(01):37-43.

[4] 张颖, 杨刘元, 王浩翔, 等. 光伏储热储氢综合能源系统设计与研究[J]. 新能源科技, 2023, 4(01):46-49+66.

[5] 廖远旭, 董英瑞, 孙翔, 等. 可再生能源制氢综合能源管理平台研究[J]. 南方能源建设, 2022, 9(04):47-52.

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