自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和贮水箱中的温差，形成系统的热虹吸压头，使水在系统中循环与此同时，将集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在贮水箱内，如图2-1所示。

太阳能热水工程系统运行过程中，集热器内的水星太阳辐射能加热·温度升高，密度降低，加热后的水在集热器内逐步上升，从集热器的上循环管进入贮水箱的上部与此同时，贮水箱底部的冷水由下循环管流入集热器的底部这样经过一段时间后，贮水箱中的水形成明显的温度分层、上层水首先达到可使用的温度，直至整个贮水箱的水都可以使用。
用热水时，有两种取热水的方法，一种是有补水箱。如图2-1所示，由补水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补水箱内的浮球阀控制，有时称这种方法为顶水法另一种是无补水箱，如图2-1所示，热水依靠本身重力从贮水箱底部落下使用，有时称这种方法为落水法。
顶水法的优点在于充分利用上层水先热的特点，使用者一开始就可以取到热水缺点是从贮水箱底部进入的冷水会与贮水箱内的热水掺混，减少可利用的热水，落水法的优点是没有冷热水的掺混。但缺点是必须将贮水箱底部不太热的水放掉后才可取到热水，所以既浪费水又浪费热量。在有补水箱的自然循环系统中，与贮水箱相连的管路较多。正确的连接口位置是保证系统效率的必要条件。一般，上循环管人口应与下循环管出口成对角线布置下循环管出口应在贮水箱最低位置1上循环管入口宜设置在岗贮水箱顶5～20cm处不等，可根据贮水箱的容积而定，但必须在水面以下。若露出水面，则系统循环将停止补给水人口开在贮水箱侧壁比开在箱底有利名贮水箱顶部有排气管，与大气相连通。取热水管出口与上循环管入口的开口对称但位置稍低，若取热水管出口太低，则出口以上部分热水由于顶不出而不能加以利用。在双回路的自然循环系统中，换热器通常是蛇形盘管或带联箱的管簇，浸没在贮水箱的下部换热器也可以同心套筒，套在贮水稍的外部。换热器的两端与集热器的进口直接相连，构成自然循环回路。设计系统的换热器时，必须与自然循环回路中的热虹吸流动和该流动状态下的传热效果联系起来作综合考虑，而且不能忽略换热器本身的热容量，从换热器换热面积的大小对系统热性能的影响而言，存在一个最佳值。若换热器的换热面积小于最佳而积，则换热器的传热温差大，降低集热器效率，反之，若换热面积大于最佳面积，则导致集热器的出口温度低，由此增加的有用能量收益为换热器自身的热容所消耗。对系统的热性能没有贡献。根据经验，换热器的最佳换热面积与集热器采光面积的比值约为0.4～0.6。
自然循环系统的优点是结构简单，运行可靠、无需动力、成本较低缺点是为了维特必要的虹吸压头，储水箱必须置于集联器的上方，存在水位差，这样有自然循环更顺畅。也正式因为这点原因，很多建筑物是平楼顶的，因此需要单独的设计能支撑且承重效果好的支架来放置储水箱。