利用水在不同温度下密度不同而实现自然分层。系统组成是在常规的制冷系统中加入蓄水罐，如图3a所示。在蓄冷循环时，制冷设备送来的冷水由底部散流器进入蓄水罐，热水则从顶部排出，罐中水量保持不变。在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由底部送至负荷侧，回流热水从顶部散流器进入蓄水罐。图3b是蓄冷特性曲线图。纵坐标为温度，横坐标为蓄水量的百分比。A、C分别为放冷循环时制冷机的回水和出水特性曲线；B、D分别为蓄冷循环时制冷机的回水和出水特性曲线。一般用蓄冷效率来描述蓄水罐的蓄冷效果。蓄冷效率的定义是蓄冷罐实际入冷量与蓄冷罐理论可用蓄冷量之比，即：蓄冷效率=（曲线A与C之间的面积）/（曲线A与D之间的面积）
一般来说，自然分层方法是最简单，有效和经济的，如果设计合理，蓄冷效率可以达到85%-95%。
图四所示为蓄冷罐和斜温层内温度变化简图。斜温层是冷水与热水之间的温度过渡层。明确而稳定的斜温层能防止冷水与热水的混合，但斜温层的存在降低了蓄冷效率。蓄冷系统能否在高效率下保持正常而稳定的工作主要取决于顶部和底部散流器的设计和蓄水罐的设计。散流器用于均布进入罐中的水流，减少扰动和对斜温层的破坏。 在蓄水罐内部安装一个活动的柔性膈膜或一个可移动的刚性隔板，来实现冷热水的分离，通常隔膜或隔板为水平布置。这样的蓄水罐可以不用散流器，但隔膜或隔板 的初投资和运行维护费用与散流器相比并不占优势。