本发明提供了一种工业园区综合能源系统及其运行方法，涉及综合能源技术领域。工业园区综合能源系统包括主循环管路、第一换热管路和第二换热管路；第一换热管路和主循环管路可换热地相接，第二换热管路和主循环管路可换热地相接；主循环管路包括二氧化碳充电循环管路以及二氧化碳发电循环管路，二氧化碳充电循环管路和二氧化碳发电循环管路通过换向装置可控地连接。本发明能够解决储能系统热能利用率低、能源浪费的问题，具有热能利用率高、减少能源浪费、利用余热和余冷有效提升做功温差和发电效率、利用二氧化碳排放物作为工质进行碳中和，实现二氧化碳资源化利用的效果。