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2020年，中国提出二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标
[1]。为实现“双碳”目标，各领域要将以化石能源为主体的能源消费体系转变为以可再生能源为主体并适应碳中和的现代化、低碳化和智能化的新型能源体系
[2]。氢能作为一种清洁能源，近年来受到了世界各国及能源企业的广泛关注。国际氢能委员会于2017年发布了全球首份氢能源未来发展趋势调查报告，报告指出，到2050年，氢能产业将为全球每年减少6×10
9 t二氧化碳排放，创造2.5×10
12 美元的市场价值
[3]。多数发达国家已制定了多种氢能发展战略，其中，美国、日本、欧盟等国家制定氢能发展政策
[4‒7]较早，研发氢能关键技术时间较长，目前已取得较大进展。中国于2019年将氢能首次写入政府工作报告中，并在2020年公布的《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》中将氢能列入能源一类。中国氢能联盟于2021年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》预测中国2030年氢能占终端能源体系达5%，2050年将达10%
[8]，氢能将与电力共同成为中国终端能源消费的主体。
目前，氢能在中国主要应用于工业和交通领域，而部分发达国家对氢能在建筑上的应用已展开了许多积极探索和实践。建筑领域碳排放占中国全社会总碳排放近50%
[9]，充分利用可再生能源是降低建筑领域碳排放的必要途径。在城市和社区层面，氢气可以直接供给建筑使用，也可以作为发电厂的调峰电站、为氢燃料汽车提供动力、作为工业生产的原料和燃料、与天然气混合为城市提供燃气，还可以为雨水回收和绿化灌溉提供电能
[10‒11]。在建筑单体层面，氢能可以与光伏发电、太阳能热水和热泵等系统有效配合，为建筑提供热、电、冷多种形式的能源，与建筑本体蓄热、蓄电池和蓄热水箱一起，为建筑提供不同周期不同规模的蓄能方案，全面覆盖建筑的用能需求
[12‒14]。
与此同时，建筑领域利用的太阳能、风能等可再生能源有强烈的间歇性，如何对可再生能源采用合理有效的储能技术，尤其是长周期储存，是目前亟待解决的问题。利用太阳能等可再生能源电解水制取氢气并通过特定的方式储存，使用时再将氢气转化为电能热能的储氢蓄能是一种全新的太阳能蓄存方式，也是一种零碳排放、可长周期储存的储能方式。在能源缺乏时利用氢燃料电池供电、燃烧氢能供能或将氢能转化为其他形式再利用
[15]，这样将氢能作为储能介质的一种“可再生能源—氢能—其他能源”的模式可有效解决可再生能源无法全时段满足建筑能源需求的问题，为中国零碳建筑的实现提供技术路径。
相比较其他储能方式，储氢蓄能具有以下明显优势：1）太阳能制氢过程几乎不产生二氧化碳排放；氢气利用过程，不管是通过“掺氢”技术燃烧还是通过燃料电池技术发电，利用产物都是水，真正从源头上实现了能源脱碳。2）氢气可以长时间（小时到季度）大规模（百吉瓦级别）储存，可以满足建筑不同规模不同周期的蓄能需求。3）抽水储能、熔盐蓄热、超级电容和压缩空气等大规模储能技术一般需要特定的地理条件和场地条件，而储氢蓄能能够灵活应用于建筑的不同场合，且不会对生态环境产生破坏。4）太阳能发电、制氢和用氢环节降本空间大，规模化储氢蓄能成本有望比储电低一个数量级。5）氢气运输方式灵活，充氢过程十分便捷，相较蓄电池充电需要数小时，充氢一般只需要几分钟
[16‒17]。
目前，中国的可再生能源制氢与煤制氢等其他传统制氢技术相比在成本上还未占据优势，但从减碳角度来说，可再生能源制氢相较于煤制氢在未来有明显优势。氢燃料电池的成本较高是中国建筑氢能利用的一个关键阻碍。随着光电生产成本和远距离储运氢成本的进一步降低以及绿电绿氢相关技术的发展，氢能的综合优势将会凸显。中国现有的各级政策中，氢能应用场景更多偏向于交通领域，而建筑作为未来氢能的重要应用场景，还缺少对其具体发展方式的规划。国际上对于氢能应用于建筑的形式已有部分探索，如与光伏光热系统、地源热泵系统、氢燃料汽车、蓄电池、化石燃料系统等结合使用满足建筑冷热电需求，但目前国内对用氢作为建筑长周期储能介质的具体利用模式等问题还少有探索。
本文梳理了国内外将氢能应用于建筑的模式以及各国建筑氢能应用的典型案例，梳理了氢能从制备到建筑利用的各环节，并整理对比了不同方式制氢、储运氢以及氢燃料电池的成本，以期对中国发展氢能建筑提供参考。
1 低碳建筑利用氢能的环节
氢能作为一种零碳放、可长周期储存的能源，已广泛应用于工业、交通、建筑等领域，各领域氢能利用主要环节如
图1所示。建筑领域对氢能的利用主要包括氢能制取、储存、输运及利用等环节。对于建筑自身利用可再生能源制取氢气的情况，可不考虑输运过程。
1.1 制氢
氢气制备技术可分为热化学方法制氢（煤制氢、天然气重整制氢、甲醇重整制氢等）、工业副产提纯制氢（氯碱工业副产氢、焦炉煤气副产氢等）、电解水制氢等
[18]。虽然中国目前的制氢技术取得了一定进展，但天然气重整制氢和可再生能源制氢技术与日本等国家仍有技术差距
[19]。2020年，中国煤制氢产量占比最大，约达60%；工业副产氢占比为20%；天然气制氢占比为10%；而电解水制氢占比尚且不足2%
[8]，可以看出，目前国内氢气生产依旧依赖传统的煤制氢技术，可再生能源电解制氢尚处于发展初期。从长远来看，随着风光发电生产成本和远距离储运氢成本的进一步降低，可再生能源电解制氢可能是未来氢能来源的最主要途径之一。
目前，电解水制氢技术的主要形式为碱性电解、质子交换膜电解，而固体聚合物阴离子交换膜水电解以及固体氧化物水电解还处于研究起步或初步示范阶段。由于碱性电解技术在中国较为成熟，目前被广泛地应用于电解水制氢项目，但由于其难以快速启动、快速调节制氢速度，因此在消纳可再生能源方面的适配性差；质子交换膜电解槽由于灵活性高、能适应波动电源，因此在消纳波动性和随机性较大的风电、光伏方面有良好的应用，目前其已在部分发达国家实现商业化应用
[20‒21]。
1.2 储运氢
氢气的储存方式可分为物理储存和利用储氢材料储存
[22‒23]。前者通常可分为气态氢、液态氢，包括低压或高压气态储氢、低温液氢储存以及冷冻压缩储存；后者的储氢通常可分为金属或复合氢化物、液态有机物储氢以及材料表面储氢
[24‒26]。氢气的运输方式主要包括长管拖车输送、管道输送、液氢车船输送以及固体氢输送。其中，管道输送可分为纯氢管道输送和天然气掺氢管道（掺氢比列不高于20%）输送，液氢车船输送包括低温液氢输送和液体氢输送
[27]。目前，中国储运氢技术主要以高压气态储存和长管拖车输送为主，而随着技术进步和材料发展，液氢车船输送、纯氢管道及天然气掺氢管道输送可能成为未来发展方向
[27]。
1.3 建筑用氢
在建筑应用方面，国际能源署认为，氢能用于建筑的技术路线有以下几种：可再生能源制氢后供氢燃料电池热电联供或转换成甲烷使用、天然气掺氢（大部分情况下掺氢比例为5%～20%）及纯氢燃烧使用
[28]。欧盟投资的ene.field项目在2012—2021年间安装了1 047套燃料电池
-CHP系统，PACE项目安装2 800套
[29]；日本的ENE‒FARM项目至2019年1月已为家用或小型商业用户安装了约27.4万套燃料电池
[5]；英国的H21 North of England项目是以纯氢使用为目标
[27]。
氢气通过储氢罐或管道等形式输入到建筑家用型氢燃料电池后，氢燃料电池开始热电联供，产生的电力可供室内电器使用；同时氢燃料电池发电过程中产生的热量，可通过换热器来加热水箱，并储存其热量，以用于生活热水、洗浴、室内供暖等。
1.3.1 发电利用
燃料电池可将氢能转化为电能，同时理论上在反应过程中不产生任何空气污染，其综合电热效率较高。典型的建筑氢能发电基础利用模式为：当太阳能光伏板发电富余时，多余的电力通过电解水制氢转化为稳定的氢气储存；而当光伏发电供应不足时，再将氢气供应到氢燃料电池中为建筑提供热电；而当建筑负荷较大时，将储存的氢气经过一定设备转换为建筑冷、热、电的需求，可以大大减少弃光、弃电。
1.3.2 燃烧利用
氢可与天然气混合（掺氢比例不高于20%）或以100%纯氢的形式经过氢锅炉后用于建筑供热。欧洲现有的天然气管网可容纳掺氢量最高为20%的混合气体，在储氢方面可以利用现有的天然气基础设施实现大规模的高效存储
[30]。欧洲的典型示范项目包括混入氢气体积分数为20%的法国敦克尔刻GRHYD项目和英国HyDeploy项目等
[7]。对于纯氢的研究应用，英国的示范研究表明：将现有的天然气管网升级为纯氢供气管道，其单位投资成本约100~120英镑
[31‒32]；BDR Thermea于2019年研制的世界第一台纯氢家用锅炉的初始供暖量满足了总热量需求的8%
[33]。
2 低碳建筑氢能利用系统
氢能不仅可以作为目前化石燃料的替代燃料，同时可作为一种储能介质，用于消纳富余的电力，有效弥补太阳能的间歇性、随机性和不稳定性等不足。
2.1 氢能利用系统
Acar等
[34]构建了一套由光伏板、质子交换膜电解槽、储氢罐和质子交换膜燃料电池堆组成的系统，如
图2所示。通过输入不同的光伏板数量、电解槽功率、储氢罐容积以及燃料电池堆数量，对比各种情况下的制氢量和发电量的变化，得到系统各部分的较优解，发现在该系统中选择合适设备容量的电解槽较为重要。Farrokhi等
[35]从3E（economy, efficiency and effectiveness）的角度对一套由太阳能电池板、制氢、储氢和燃气轮机组成的系统进行了全面分析，最后通过对关键设计变量进行参数化研究以及优化，得到了最优解。Knosala等
[36]基于能耗需求模拟和供应系统的线性优化，得出德国在电价为0.31 欧元/(kW·h)、氢供应价格为0.17 欧元/(kW·h)时，在建筑能源系统中适合使用氢技术（包括氢锅炉或燃料电池等），并指出氢供应价格在电力供应价格的61%及以下时使用氢系统具有经济可行性。Valverde‒Isorna等
[37]对英国的一座办公零碳建筑的风氢系统进行了模拟验证，展示了储氢在减小风间歇性的作用。该运行系统包括风力涡轮机、电解槽、储氢设备、燃料电池以及相关控制系统，最后提出了一种用于风氢系统建模、仿真和性能评估的综合方法。
2.2 结合地源热泵与太阳能集热器的系统
Hai等
[38]以科威特为研究城市，设计了一套离网运行的氢能系统，如
图3所示。
由
图3可知，该系统设计思路为：在晴朗白天由太阳能光伏直接供电，额外的电力用于电解制氢并储存，同时配置太阳能集热器，满足建筑生活热水需要的热量；在夜间或阴天，利用富氢条件驱动氢燃料电池发电，优先满足建筑用电需求，剩余电力可供给热泵系统，燃料电池的发电余热与热泵产热可梯级耦合，协同供应生活热水及采暖。
Guo等
[39]以伊朗一个单体小型住宅为研究对象，设计了一套离网运行的氢能系统，如
图4所示。
由
图4可知，该系统设计思路为：光伏系统在白天为建筑直接供电，富余电力以氢气形式储存；生活热水、供暖等所需热量由太阳能集热器、燃料电池和电解槽废热提供，同时将部分热量运送至制冷机组中生产冷冻液并运送至室内的加湿器，当氢燃料电池发电量充裕时，用富余的电量对蓄电池充电；同时考虑到燃料电池启动时不会立即产生电力，建筑将在短时间内缺电，因此使用蓄电池进行短时供能。Ulleberg等
[40]模拟的光伏光热储氢系统包括光伏板、电解槽、氢气存储、燃料电池、催化燃烧器、蓄电池、太阳能集热器以及蓄热水箱，该研究对北纬地区的传统低能耗住宅进行了模拟，并给出了不同系统配置和运行方案下的系统供能情况。
2.3 结合其他蓄能系统及氢燃料汽车系统
Liu等
[41]将建筑屋顶的太阳能光伏、海上风电系统与大功率的抽水蓄能（静态储能）系统结合，可有效解决可再生能源供应和再利用氢燃料汽生能源供应的间歇性问题。再利用氢燃料汽车（动态储能）可以实现城市的流动性脱碳的特点，得出合理的混合储能方式的使用策略，以提高可再生能源和存储系统的系统性和经济性，如
图5所示。同时，Liu等
[42]还设计了一套固定式大型蓄电池和移动氢燃料汽车结合的混合可再生能源系统，提出一种评价电网在峰、非峰时段输电网的分时惩罚成本模型。
高力强等
[43]将近零能耗建筑、氢能汽车（hydrogen vehicles, HVs）与储能技术结合，提出一种新型低碳光伏建筑综合能源系统，如
图6所示，并分析了系统在3个典型日的电‒热‒冷调度结果；研究结果表明，HVs与建筑系统集成有助于降低系统的交换功率，光伏装机量的提升与储能设备的应用则有助于降低系统碳排放量。
2.4 结合常规能源系统
由于各地区存在太阳辐射量、风力因素等差异性，风光发电氢能系统不能完全满足建筑的年需求。对于此类问题，除了增大系统规模外，也有学者将以上系统与备用能源结合，并通过柴油发电机等形式为建筑提供电力。
Hai等
[38]提出的离网氢能系统，由于存在系统供能不足的情况，结合了柴油发电机使用。Izadi等
[44]以伊朗的一栋3层中型办公楼原型，设计了一种混合可再生能源系统，得出风光发电结合氢能系统储电的模式相较于只使用风光发电，将能源供应能力从48.9%提高到了87.5%；并考虑到当建筑电量需求大于光伏发电以及氢燃料电池电力供应时，可使用柴油、天然气、液化石油气和丙烷等各种燃料提供备用能源。
2.5 建筑氢能利用研究问题与方向
对于氢能在建筑上的利用，本文搜集到的国内外文献中研究方向主要包括以下几个方面：氢能系统对可再生能源利用储能环节的影响；氢能系统适宜设备系统容量设计；氢能系统的效率和经济性综合评估；不同配置和运行工况下的系统特性；氢能系统的仿真分析以及性能综合评价方法等。
将太阳能等可再生能源结合的氢能系统应用于建筑领域具有能够显著降低建筑碳排放的优势，与蓄电池一类的储能系统相比，氢能系统又具有可长周期储存的特性，但目前中国氢能系统的成本较高是其广泛应用的关键阻碍。国际上针对氢能应用于建筑的形式开展了较多探索，而国内对于用氢作为建筑长周期储能介质的具体利用模式、系统形式以及运行方案等相关研究还较少。氢能系统如何匹配不同场景下的建筑负荷特征、氢能系统应用于建筑具有经济可行性时的氢能成本以及该场景下电力成本与氢能成本的关系，以及如何对建筑利用氢能系统的综合性能进行评价等关键问题还未探明。探寻合理的建筑氢能利用形式，发展各种应用场景下的绿电绿氢模式，把氢能作为一种补充的长周期储能方式以实现建筑领域降碳可能是氢能建筑利用的未来发展方向。
3 建筑氢能利用案例与关键参数
3.1 国际案例
日本棱镜大厦在建筑改造中引进了氢能源系统
[45]，如
图7所示。系统借助太阳能发电制造的绿氢，经过燃料电池利用后，在用电高峰及特殊时期为建筑提供电力；在建筑2层室外平台配备了电解装置、储氢合金罐、蓄电池以及100 kW的纯氢燃料电池，此系统的氢气存储量达450 Nm
3，相当于可一次蓄电674 kW·h。
日本东京奥运会选手村中的5 632户住宅配备了ENE‒FARM项目的家用燃料电池，该社区利用管道运输天然气至每户后，再将天然气重整制氢，该方法可有效降低氢气的储运成本，能源综合利用效率可达90%以上。
2018年，瑞典市政住房公司预期建造一个完全离网、能源充足的住宅区，住宅区内共包括6栋建筑（共172套公寓），所有的电力和供暖需求都通过现场的太阳能光伏发电和氢能储能系统来满足，如
图8所示。其中，已完工的1座公寓屋顶上配备了109 kW容量的光伏系统以及5 kW的燃料电池，可满足建筑全部的电力和供暖需求；预计6栋公寓的总光伏发电量将达到659 kW。所用氢能储能系统由5 kW的氢燃料电池、每小时产生60 Nm
3氢气的碱性电解槽以及总容量为50 000 Nm
3的储氢容器组成，将瑞典夏季丰富的太阳能资源储存至冬季使用，实现长时期的跨季节储能。
德国新韦斯特城预期在占地面积12公顷的场地建造配备大型供能系统的住宅、办公和商业建筑群，如
图9所示。该建筑群中的屋顶光伏系统的富余电力（峰值达1 700 kW）将输送至电解槽电解制氢，氢气面向建筑、运输以及工业等供应，如
图10所示；氢气可在建造的热电联产工厂中产电或并入天然气网燃烧使用，由于建筑规模较大，配备了1 MW的电解槽，其运行产生的废热可向周围建筑群提供热量。为实现季节性长期储存和天然气行业的去碳化，生产的氢气还可输入城市天然气电网。
3.2 国内案例
中国首座氢能进万家智慧能源示范社区项目在佛山投运，如
图11所示，项目一期占地面积约10
5 m
2，系统以燃料电池热电联产终端为基础，每一套住宅配备了单独的家用燃料电池热电联供系统，其能源利用率达92%，能源费用降低45%，碳排放降低50%
[46]。杭州绿色建筑科技馆示范项目采用了风光互补发电、太阳光热系统以及电解制氢储能系统，光伏系统以及风能发电机装机容量分别达43 kW和600 W，该系统全年可满足建筑热电需求。
除以上建筑氢能应用案例外，
表1还列举了目前国内外其他典型的氢能结合风光发电等系统应用于建筑的案例及关键参数。
4 建筑氢能利用各环节成本
4.1 光伏发电成本
由于中国的大规模发电区域与用电区域脱离，而当远距离输送电力超出电网承受能力时，大量的风光电会成为弃电。国家能源局发布的数据显示，2024年全国弃风率为4%，弃光率为4.3%。据中国氢能联盟统计报告，局部区域弃风、弃光、弃水及弃核制氢可提供的制氢量约2.63×10
6 t/a
[8]。近年来，由于中国电价补贴等相关政策的支持，光伏发电规模持续增大。截至2025年第1季度，全国光伏发电装机容量达到9.45×10
8 kW，其中分布式光伏4.11×10
8 kW
[55]。与此同时，光伏行业协会数据显示，随着光伏发电技术的发展，中国光伏发电成本逐步下降，目前全国大部分地区光伏发电的成本已低于0.2 元/（kW·h）
[56]。
4.2 制氢成本
不同制氢方式的制氢成本对比见
表2。电解水制氢中的电费成本占比为70%~80%
[57]，以光伏发电成本0.3 元/(kW·h)、电解水制取1 kg氢气需要消耗50 kW·h电计算，制取1 kg氢的成本为19~22 元/kg。中国氢能联盟数据显示，若采用市电，制氢成本为30~40 元/kg
[8]。
由
表2可知，目前光伏制氢成本下降至0.3 元/(kW·h)，虽然与焦炉煤气制氢在成本上尚有差距，但与天然气重整制氢、甲醇制氢、氨分解制氢方式相比在成本上有了足够的竞争力，从中国目前急迫减碳角度出发，光伏制氢相较于焦炉煤气制氢有特殊优势。在“双碳”目标下，由于太阳能光伏发电度电成本下降、发电季节性过剩，太阳能光伏发电制氢的优势逐渐凸显。
4.3 储运氢成本
当运输量较小，运输距离在200 km以下时，运输成本较低的高压气氢运输具有成本优势；低温液氢运输适合运输量较大、距离较远的运输；氢气管网由于初始投入成本高，需运输体量达到一定规模，其经济性才具有优势
[26]；氢气可混合天然气管网，但混合比例不能高于20%
[28]。氢储运成本对于氢能发展的影响较大，随着氢燃料电池相关技术的研发以及成本的下降，将极大提高氢能系统的优势。
4.4 氢燃料电池成本
美国能源部数据显示，使用纯氢运行的80 kW集成运输用燃料电池电堆成本（不包括储氢、燃料电池辅助系统以及电力驱动等其他部分）在2020年约为20 美元/kW，远期目标为15 美元/kW。日本ENE‒FARM项目的主要制造商是松下和爱信，分别采用的是固体高分子燃料电池和固体氧化燃料电池，额定发电效率在35%~56%之间，总热电效率为87%~95%
[54]，基础价格分别为80万日元（约合人民币39 000 元）和123万日元（约合人民币60 000 元）
[59]，其成本较高以及投资回收周期较长是目前氢能推广的主要阻碍。中国目前使用的氢能相关设备系统还多依赖进口，因此整体价格较高，随着氢燃料电池相关技术的研发等成本的下降，将极大提高氢能系统的优势。
5 结 论
氢能作为一种污染的清洁能源在建筑上有广泛的应用前景。在“双碳”目标背景下，可再生能源结合储能技术的利用形式可极大降低建筑碳排放，氢能作为长周期储能介质可以解决建筑可再生能源储能的紧迫需求。目前，部分发达国家对于将氢能应用于建筑的形式已有部分探索，而国内关于氢能建筑利用的具体利用模式、系统形式、运行方案等相关研究还较少。对于不同储能系统如何匹配不同场景下的建筑负荷特征等关键问题还需进一步解决与优化，同时国内对于可再生能源发电制氢、氢燃料电池、热电联供等关键技术需要进一步突破。
中国现有的各级政策中，氢能发展规划更多侧重工业和交通领域，在建筑领域应用的相关政策规划还尚未明确，同时相关系统研发不足。目前市场上的氢能系统大部分还依赖于国外进口，相关建筑项目配置氢能系统的设备成本还较高，亟待研发出各种应用场景下的绿电+绿氢模式，为建筑领域提供新型的供能储能方式、降低建筑领域碳排放提供技术路径。
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