相变储热技术作为削峰填谷技术中重要的组成部分,能克服峰谷电量不匹配、工业余热废热带来的负面影响,被认为是一种优良的新型储热技术。工程应用中的高效储热设备存在结构复杂、单位体积储热密度小、经济性较差等问题,在保证经济性的前提下,加强相变储热设备的换热效率成为相变储热应用的一大难点,基于自然对流的相变储热装置优化研究具有重要意义。本文运用实验与数值模拟相结合的方法研究相变储热装置中自然对流对换热过程的影响,并利用自然对流特性对既有储热装置及新型复合换热管道进行优化设计。首先对储热材料Ba（OH）₂·8H₂O进行物性参数测试,测量材料相变潜热、相变温度与动力黏度等重要热物性参数,并利用数值模拟研究此类材料中自然对流对换热过程熔融/凝固相界面及液相率的影响,从中分析出自然对流对于相变过程的重要性。而后搭建小型可视化管壳式储热装置并根据其尺寸结构进行数值建模,进行可视化实验与仿真模拟,了解其熔融储热/凝固放热的特性,验证自然对流对其影响效果及数值模拟方法的正确性。最后对既有储热装置实际运行特性进行实验研究,结合分析得出的自然对流特性与储热装置实际运行特点,对既有储热装置运行模式以及新型储热装置复合换热管道（凸起型/凹嵌型）进行优化设计,得出最优管道结构。研究得出相变材料Ba（OH）₂·8H₂O相变温度为78.7℃,相变潜热为252.2J/kg,液态动力黏度随温度增加而降低,材料在多次循环过程中具有优良的稳定性。自然对流在相变换热过程中起重要作用,对熔融/凝固相界面、传热速率及其内部温度场影响较大,相界面并非呈均匀圆形扩大而是随时间不规则变化,自然对流使总熔融时间减少30min,熔融加速率为19.23%。在可视化储热装置中,熔融过程受自然对流影响,温度较高的液相材料上升至固液相界面顶部,加速换热管上部材料熔融,使侧面熔融相界面由“倒三角”形逐步推移至换热管下部;相变材料在凝固过程中温度降低密度增大,在重力与自然对流的作用下,低温相变材料易于下沉,加速换热管道下部材料凝固;通过变工况测试得出进口温度对换热效率的影响大于换热流体体积流量,提高进口温度能有效缩短储热时间,提升传热效率。针对既有的储热装置的运行特性,提出新型运行策略,缩短储/放热时间,舍弃换热后期4%的热量,在保证储/放热量的前提下提升系统经济性及换热效率,使储热过程热耗散量下降43%,平均放热功率增加132%。针对新型储热装置设计出高/低导热材料复合换热管道,凸起型复合换热管道中低导热材料的添加对换热过程影响较小,在保证换热效率的前提下能有效改善结垢附着等问题,最优化结构条件下,换热时间增加5.16%,平均传热速率下降1.13%。凹嵌型复合换热管道中嵌入的低热导材料强化自然对流,有效提升换热效率,减少换热时间,最优化结构条件下,换热时间下降7.89%,平均传热速率增加7.20%。