近年来,相变蓄热系统被广泛研究用来解决能量供需双方时间地点上不匹配的问题。对于相变蓄热系统来说,其技术核心在于相变蓄热材料与相变蓄热器。目前对于相变蓄热器的研究大多集中于管外封装相变蓄热单元(相变材料封装于壳侧,换热流体在管内流动),而对于管内封装相变蓄热单元(相变材料封装于管内,换热流体在壳侧流动)的研究相对较少。本文搭建了可视化的水平管内封装相变蓄热单元实验装置,研究了管内封装相变蓄热单元在熔化和凝固过程中相界面的发展状态以及不同工况参数对蓄放热性能的影响。结果表明,换热流体温度对于蓄热单元蓄放热时间有着巨大的影响,蓄热过程换热流体温度升高14.5%,蓄热时间缩短61.5%,放热过程换热流体温度降低26.9%,放热时间缩短42.7%。相比之下,换热流体流量对于蓄热单元性能影响要小得多,蓄热过程换热流体流量提升86.0%,蓄热时间缩短7.5%,放热过程热流体流量增大73.3%,放热时间缩短2.4%。以往对于管内、管外封装结构的性能对比均是在材料填充率为50%的情况下进行的,而在某些实际场合中希望在有限空间中封装更多相变材料来储存更多的热量。为了使比较更加贴近实际应用,本文利用实验数据验证了焓-多孔介质数值模型的准确性,并利用该数值方法对不同相变材料填充率下(40%~90%)管内、管外封装相变蓄热单元的蓄放热性能进行对比。结果表明,当填充率大于62%时管内封装相变蓄热单元具有更好的综合性能,因此在空间受限的实际应用场合中管内封装相变蓄热单元更具有优势。为了对管内封装相变蓄热单元的结构进行优化,模拟研究了水平、竖直椭圆管封装相变蓄热单元的蓄放热性能。结果表明水平椭圆管结构综合性能更优,与圆管结构相比,采用水平椭圆管结构虽然换热面积增加了5.2%,但可以分别缩短蓄放热时间10.2%、11.01%;在水平椭圆管相变蓄热单元的基础上,利用数值方法分别模拟了外管为水平椭圆,内管为圆形、水平椭圆、竖直椭圆的三重管封装相变蓄热单元的蓄放热过程。结果表明,三重管结构可以有效地提升管内封装相变蓄热单元的蓄放热性能,当内管结构为水平椭圆时性能最优。与圆管结构相比,该结构可以缩短蓄热时间40.9%,缩短放热时间59.2%,增大单位质量材料平均蓄放热强度118.3%,分别减小蓄放热过程温度不均匀度29.6%、8.6%。