自然冷能的科學定義是：“常溫環境中，自然存在的低溫差低溫熱能”，簡稱“冷能”實際上冷熱感覺都是相對的，無論氣溫高低，溫差的存在就意味著可利用能量。由於大自然維持環境溫度的能力為無限大，而溫差又無處不在，所以該能量的數量也為無限大，是一種潛在的巨量低品位能源。我國大部處於大陸性氣候區，氣溫的晝夜變化與季節變化都很大，比起低平原海洋氣候區，自然冷能潛力要大得多，利用成本相對較低，與風能、太陽能一樣具有經濟價值，利用過程也不會產生環境汙染。
自然環境中，存在有數百平方米小範圍、寒冬臘月春暖花開、六月份炎暑卻天寒地凍的“反季節”現象，當地群眾用來作天然冷藏庫。我國商、周時代即有冬季貯冰夏季取用的冷能利用先例，而且一直延續至今。井水一般冬暖夏涼，合理利用可以代替空調能源。1933年，法國的實驗室在室溫下利用３０℃溫差推動小型發動機發電，點亮幾個小燈泡，首次證實了自然溫差作為能源的可能性。20世紀60年代，美國阿拉斯加輸油管路利用寒冷的氣候條件加強散熱，防止基土融化下沉，從而保證了管路係統的安全運行。受此啟發，研究人員開始對自然冷能進行實用化研究。1986年，經過約10年的試驗研究，日本建成了世界上第一座熱管換熱式、以自然冷能製冷的冷藏庫，觀測結果表明，庫四周季節凍土層終年保持凍結狀態，達到了預期效果。我國於1990年建成利用自然冷能致冷的無能耗實驗冷藏庫，用於農副產品貯存。
自然冷能開發利用的關鍵有以下幾點。
一、傳熱與蓄能
自然溫差一般較小，聚集自然冷能十分困難，也就談不上開展利用。熱管的出現，才使得低品位熱能的傳遞與聚集成為現實。
（一）熱管技術
熱管是一種高效傳熱元件，最早的專利出現於1942年，但一直未引起人們注意，直至1962年，由於人造衛星的向陽麵與背陰麵溫差過大，容易導致設備故障，有人提出熱管均溫方案，使衛星表麵溫差縮小到了14℃左右，太陽光電池陣的向陽麵溫度也由49℃降到了7.5℃。1967年，它的超強傳熱能力和可靠性得到普遍認可，從此迅速在各領域得到應用。
熱管為收集自然冷能提供了高效傳熱條件，隻有將聚集的能量妥善貯存，才能加以利用。所以，如何高效、廉價地蓄能，成為利用自然冷能的關鍵。
（二）熱泵、溫差電致冷與熱管
熱量一般隻能由高溫體自動地移向低溫體，如何使熱量從低溫體移向高溫體，就得額外耗費能源（如常見的空調設備）。根據水泵把水從低水位處揚向高水位的特點，這種從低溫物體吸熱，並把熱量移向高溫物體的機械，被形象地稱作“熱泵”。一般情況下，熱泵所得熱能的數量大於自身能耗，所以是一種節能設備，在同時致熱和致冷（例如同時利用冰箱和供生活熱水）時，能夠得到雙重節能效果，但必須依賴外加能源才能運轉。
熱管是一種單向傳熱元件，與熱泵不同，它隻能從高溫端向低溫端傳遞熱量，不需要額外耗費能源就能運行。熱泵經常與熱管的高效傳熱性能結合，以求得最大節能效果。