自然循环系统是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水。其结构简单不需要附加压力。但为保证热虹吸压头，储水箱应置于集热器上方。 这是一种比较常见，普遍采用的一种太阳能热水系统。其优点是系统结构简单，运行安全可靠，不需要辅助能源，管理方便。其缺点是贮热水箱必须置于集热器的上方才可进行热量交换。大型太阳能热水系统不适宜采用这种自然循环方式。大型系统中要将储热水箱置于集热器上方，在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题。
太阳能热水器工作原理简介：冷水通过管道进入太阳能热水器内，经过真空管（集热板），真空管（集热板）能收集太阳能，将太阳能转化为热能，然后把冷水加热。由于冷水的比重比热水的比重大，热水会自动往上升到达保温水箱，然后形成一个循环动力，水就在真空管（集热板）那逐渐升温，达到一定温度后就能进入储热水箱，需要热水的时候保温水箱就能供应热水。具体过程请看下面的太阳能热水器工作原理图。
热虹吸型直流式太阳能热水系统由集热器、储水箱、补给水箱和连接管道组成。直流式太阳能热水系统补水箱的水位由箱中的浮球阀控制，使之与集热器出口(上升管)的最高位置一致。根据连通管的原理，在集热器无阳光照射时，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动。当集热器受到阳光照射后，其内部的水温升高，在系统中形成热虹吸压力，从而使热水由上升管流入储水箱，同时补给水箱的冷水则自动经下降管进入集热器。太阳辐射愈强，则所得的热水温度愈高，量也愈多。早晨太阳升起一段时间以后，在储水箱中便开始收集到热水。这种虹吸型直流式太阳能热水系统的流量具有自动调节功能，但借助水温度不能按用户要求自行调节。这种系统应用得少。