Free cooling (refroidissement naturel) : principes, gains énergétiques et applications pour vos bâtiments et data centers

Introduction : pourquoi s’intéresser au free cooling aujourd’hui ?

Le free cooling change la façon de refroidir vos bâtiments et data centers.

Derrière ce terme anglais se cache un principe simple : utiliser la fraîcheur naturelle de l’air extérieur ou de l’eau (rivière, lac, nappe, réseau de froid) pour limiter le recours à la climatisation mécanique. Autrement dit, on remplace une partie du travail des groupes froids et compresseurs par ce que fournit déjà l’environnement, grâce à des systèmes appelés « économiseurs ».(en.wikipedia.org)

Bien dimensionné et bien piloté, ce refroidissement naturel peut réduire la consommation énergétique liée au froid de l’ordre de 10 à 40 % selon le climat, le type de bâtiment et l’architecture de l’installation.(inovisenergy.com) Pour les organisations soumises au décret tertiaire, aux objectifs Net Zéro ou à des engagements ESG, c’est un levier concret pour diminuer kWh, CO₂ et facture énergétique.

Dans cet article, nous décryptons le fonctionnement du free cooling, ses bénéfices énergétiques, ses limites, et la façon de l’intégrer dans une stratégie globale de performance avec l’accompagnement d’un intégrateur comme Score Group.

Qu’est-ce que le free cooling ? Définition claire

Le free cooling (ou « refroidissement gratuit/naturel ») désigne toute stratégie de refroidissement qui exploite une source de froid naturelle – air extérieur, eau de rivière, lac, mer, nappe souterraine, réseau de froid urbain – pour réduire ou remplacer la production de froid mécanique (compresseurs, groupes froids).(en.wikipedia.org)

Dans les systèmes CVC et data centers, il s’appuie généralement sur des économiseurs (air-side ou water-side economizers) :

• Par l’air : l’installation introduit de l’air neuf plus froid que l’air intérieur, après filtration et éventuelle correction d’humidité.

• Par l’eau : un échangeur (souvent plaques et cadres) et une tour de refroidissement utilisent l’air extérieur pour refroidir l’eau d’un circuit sans recourir au compresseur.(techtarget.com)

On parle de « free » cooling par opposition au froid fourni par un cycle frigorifique, mais l’approche n’est pas totalement gratuite : ventilateurs, pompes et contrôle consomment encore de l’énergie, simplement beaucoup moins qu’un groupe froid en fonctionnement nominal.(techtarget.com)

Comment fonctionne le free cooling ?

Free cooling par l’air extérieur (air-side economizer)

Dans un système de free cooling par l’air, des registres motorisés permettent d’introduire l’air extérieur dans le bâtiment ou le data center lorsque ses conditions (température, humidité) sont compatibles avec le confort ou avec les seuils d’exploitation IT.

Concrètement :

• Des sondes mesurent température et hygrométrie intérieure / extérieure.

• Un contrôleur décide de basculer en mode free cooling si l’air extérieur est plus froid (et suffisamment sec) que l’air intérieur, parfois selon un critère d’enthalpie.(en.wikipedia.org)

• Les compresseurs de climatisation sont arrêtés ou fortement délestés, la ventilation assurant seule la fourniture de froid.

Dans les climats tempérés, un bâtiment tertiaire ou une salle informatique peut fonctionner en free cooling 30 à 50 % de l’année, en particulier la nuit et pendant les intersaisons.(inovisenergy.com)

Free cooling par l’eau de refroidissement (water-side economizer)

Le free cooling par l’eau utilise une boucle d’eau refroidie par l’air ambiant via une tour de refroidissement ou un « dry cooler », ou encore par une source naturelle (lac, rivière, mer, nappe, réseau de froid). L’eau ainsi refroidie traverse un échangeur à plaques qui transfère le froid vers le circuit d’eau glacée du bâtiment ou du data center en by-passant tout ou partie du groupe froid.(en.wikipedia.org)

Ce principe est largement utilisé :

• dans les réseaux de froid urbains, où une part significative des besoins peut être couverte par la rivière ou la mer – par exemple, une fraction importante du réseau de froid de Paris est alimentée par la Seine ;(france-chaleur-urbaine.beta.gouv.fr)

• dans les data centers à forte densité, via des systèmes de waterside economizer (WSE). Des simulations menées en 2024 montrent des réductions d’énergie annuelle pour le froid allant d’environ 4,4 % à 33,7 % selon les climats, et jusqu’à 62,6 % dans les zones froides et de plateau.(sciencedirect.com)

Modes de fonctionnement saisonniers

Un système de free cooling est généralement conçu pour fonctionner selon plusieurs modes, en fonction de la température extérieure et des besoins de froid :(en.wikipedia.org)

• Mode hiver : l’air ou l’eau extérieure suffit à produire tout le froid nécessaire, les compresseurs sont arrêtés (hors secours).

• Mode mi-saison (free cooling partiel) : le free cooling pré-refroidit l’eau ou l’air, le groupe froid assure le complément.

• Mode été : le free cooling est inactif ou marginal, la production de froid est essentiellement mécanique.

L’intérêt énergétique dépend donc fortement du climat local, du profil de charge et de la conception du système de pilotage.

Quels sont les gains énergétiques du free cooling ?

Ordres de grandeur des économies possibles

Plusieurs études et retours d’expérience convergent sur une plage d’économies significatives :

• pour des bâtiments à refroidissement important (tertiaire, écoles, bâtiments municipaux, data centers), des systèmes de free cooling correctement dimensionnés peuvent réduire l’énergie de refroidissement de 10 à 40 % selon le climat et le mode d’exploitation.(inovisenergy.com)

• en data center, le refroidissement représente souvent 25 à 40 % de la consommation électrique totale ; toute réduction sur cette part a donc un effet direct sur le PUE (Power Usage Effectiveness).(energy.gov)

• des data centers européens ayant adopté le free cooling (direct ou indirect) affichent des PUE de l’ordre de 1,2–1,4, contre des valeurs proches de 2 pour des installations plus anciennes.(joint-research-centre.ec.europa.eu)

Au-delà des chiffres globaux, des travaux récents montrent que, sur des semaines de free cooling intensif, l’énergie consommée pour le froid peut baisser de plus de 40 % par rapport à un fonctionnement purement mécanique, à condition que le contrôle des ventilateurs et des pompes soit optimisé.(sciencedirect.com)

Free cooling vs climatisation traditionnelle : comparaison synthétique

Critère	Climatisation 100 % mécanique	Système intégrant du free cooling
Source principale de froid	Groupes froids / compresseurs en fonctionnement quasi permanent	Air ou eau extérieure utilisée dès que les conditions le permettent
Part de refroidissement mécanique	≈ 100 %	Variable : forte réduction en intersaison et en hiver, selon le climat
Réduction annuelle d’énergie pour le froid	0 % (référence)	≈ 10–40 % selon climat, profil de charge et conception du système(inovisenergy.com)
Impact sur le PUE (data center)	PUE souvent > 1,7	PUE pouvant approcher 1,2–1,4 avec d’autres bonnes pratiques d’efficacité(joint-research-centre.ec.europa.eu)
Complexité de pilotage	Relativement simple, mais souvent surdimensionné et peu optimisé	Plus complexe, nécessite GTB/automate et stratégie de contrôle fine
Applications typiques	Bâtiments peu critiques, climatisation ponctuelle	Bâtiments tertiaires, data centers, réseaux de froid, industrie à charge constante

Impacts environnementaux et cadre réglementaire

En France, les bâtiments résidentiels et tertiaires représentent environ 14 % des émissions nationales de gaz à effet de serre, ce qui explique le renforcement des exigences (décret tertiaire, dispositifs Éco-Énergie Tertiaire, etc.).(academie.ademe.fr) Réduire les consommations de climatisation est un levier majeur pour respecter ces trajectoires.

Le free cooling contribue à :

• réduire les kWh électriques nécessaires au froid ;

• diminuer les émissions indirectes de CO₂ associées à ce poste ;

• limiter l’usage de fluides frigorigènes à fort potentiel de réchauffement global ;

• faciliter l’atteinte des objectifs de réduction de consommation fixés à horizon 2030–2050 en France et en Europe.(agirpourlatransition.ademe.fr)

En parallèle, certaines fiches CEE (comme la fiche BAT‑TH‑156 dédiée aux systèmes de free cooling par eau de refroidissement dans le tertiaire) encadrent techniquement ce type d’opération et peuvent contribuer à son financement, sous conditions.(opera-energie.com)

Domaines d’application : tertiaire, data centers, industrie

Bureaux et bâtiments tertiaires

Les bâtiments de bureaux et établissements de services fonctionnant de jour comme de nuit (centres d’appels, postes de contrôle, hôpitaux, etc.) disposent souvent d’installations de climatisation dimensionnées pour les journées les plus chaudes. En pratique, ces installations sont fortement sous-chargées une grande partie de l’année.

L’ajout de fonctions de free cooling – par air neuf ou par eau de refroidissement – permet de valoriser les heures fraîches nocturnes et les intersaisons, en particulier si le bâtiment est équipé d’une gestion technique du bâtiment (GTB/GTC) performante et d’un système de pilotage énergétique adapté.

Pour les acteurs soumis au décret tertiaire, cette approche s’inscrit dans une trajectoire globale de rénovation énergétique (isolation, éclairage, réglages, ENR, etc.) telle qu’encouragée par l’ADEME.(agirpourlatransition.ademe.fr)

Data centers et salles informatiques

Les data centers concentrent des charges thermiques élevées et quasi constantes, avec un besoin de refroidissement toute l’année. Différentes formes de free cooling (air direct, air indirect, eau de nappe ou de rivière, WSE) sont désormais considérées comme des bonnes pratiques dans les codes de conduite européens pour centres de données.(techtarget.com)

Leur intérêt est double :

• réduire la part de consommation liée au froid, qui peut atteindre 25–40 % de la consommation totale du site ;(energy.gov)

• permettre l’atteinte de PUE bas (≈ 1,2–1,4) en combinant free cooling, confinement d’allées, pilotage fin de la ventilation et contrôle intelligent.(joint-research-centre.ec.europa.eu)

La division Noor ITS de Score Group accompagne les organisations sur l’architecture de leurs infrastructures numériques et de leurs data centers, afin de concilier performance IT, résilience (PRA/PCA) et efficacité énergétique, dans une logique où le free cooling peut être intégré à la conception globale.

Process industriels et réseaux de froid urbains

De nombreux procédés industriels génèrent des rejets de chaleur qu’il faut refroidir : agroalimentaire, chimie, pharmacie, plasturgie, etc. Lorsque ces installations se trouvent dans un climat favorable, la mise en place de free cooling sur les boucles d’eau de process peut diminuer significativement la charge sur les groupes froids.

Dans les réseaux de froid urbains, le recours à des sources naturelles (fleuves, lacs, mer) pour pré-refroidir l’eau glacée est déjà une réalité en France : une part importante des besoins du réseau parisien, par exemple, est couverte par la Seine.(france-chaleur-urbaine.beta.gouv.fr) Cela illustre bien l’intérêt du refroidissement naturel à grande échelle, en complément d’une production centralisée haut rendement.

Pré-requis techniques et points de vigilance

Climat local et potentiel de free cooling

Le potentiel de free cooling dépend avant tout du climat :

• dans les climats froids et de plateau, le fonctionnement en free cooling peut représenter la majeure partie de l’année, avec des économies pouvant dépasser 60 % de l’énergie de refroidissement ;(sciencedirect.com)

• dans les zones tempérées, les gains sont importants mais saisonniers (principalement intersaison et nuit) ;(svach.lbl.gov)

• dans les zones très chaudes et/ou humides, l’intérêt se limite à quelques heures ou jours par an, et à des applications spécifiques (pré-refroidissement, décalage de pointe, etc.).(en.wikipedia.org)

Une étude climatique locale (de type « heures d’occupation de la zone de confort ») et une modélisation simple des besoins permettent de quantifier le potentiel. Des outils comme le Free-Cooling Calculator développé pour les data centers aident à évaluer ce gisement d’économies.(datacenters.lbl.gov)

Qualité de l’air, humidité et confort

En free cooling par l’air, la qualité de l’air extérieur est un point de vigilance majeur :

• l’air doit être filtré pour limiter poussières et particules, en particulier pour les salles informatiques ;(techtarget.com)

• le système doit gérer l’humidité (risque d’air trop sec ou trop humide) afin de rester dans les plages recommandées par les normes de confort ou les guides data center (ASHRAE, etc.).(techtarget.com)

En free cooling par l’eau, les sujets portent sur la corrosion, le risque de gel et la qualité de l’eau des tours de refroidissement, qui nécessitent un traitement adapté.

Intégration avec GTB, IoT et pilotage intelligent

Le free cooling n’est pleinement performant que s’il est piloté avec finesse. Cela suppose :

• une GTB/GTC capable de mesurer et comparer températures, humidité, débits, pressions ;

• des capteurs et actionneurs fiables (vannes, registres, variateurs de vitesse) souvent connectés via des solutions IoT et smart building ;(baisseleswatts.ademe.fr)

• des algorithmes de contrôle pouvant intégrer météo, occupation, contraintes de confort et consignes IT.

Chez Score Group, cette approche s’inscrit à la croisée de la division Noor Energy (performance énergétique et gestion du bâtiment) et des nouvelles technologies portées par Noor Technology, notamment au travers des solutions de Smart Connecting pour l’IoT et les capteurs intelligents.

Comment Score Group peut vous accompagner

De l’audit énergétique à l’architecture de solution

En tant qu’intégrateur global, Score Group fédère énergie, numérique et innovation pour concevoir des solutions adaptées à chaque contexte. Notre division Noor Energy peut vous accompagner depuis l’analyse de vos consommations et de vos contraintes d’exploitation jusqu’à la définition d’architectures de refroidissement intégrant le free cooling, en lien avec vos bureaux d’études CVC et vos exploitants.

L’objectif : prioriser les actions les plus pertinentes (réglages, GTB, free cooling, ENR, stockage, etc.) et les articuler dans une feuille de route réaliste, compatible avec vos objectifs réglementaires et financiers.

Free cooling et infrastructure numérique

Le free cooling est particulièrement stratégique pour les infrastructures numériques critiques. La division Noor ITS et son expertise datacenters peuvent vous aider à :

• évaluer le potentiel de free cooling sur un site existant ou en projet ;

• intégrer les contraintes de refroidissement naturel dans la conception des salles (confinement, circulation d’air, redondance) ;

• articuler l’IT (serveurs, réseau, stockage) et les systèmes de froid dans une logique de PUE maîtrisé et de résilience (PRA/PCA).

Mesurer, optimiser et pérenniser la performance

Un système de free cooling performant aujourd’hui doit le rester dans le temps. Score Group peut vous accompagner sur :

• la mise en place de tableaux de bord énergétiques et d’indicateurs (kWh froid, PUE, COP global) ;

• l’optimisation continue des consignes et stratégies de pilotage (plages horaires de free cooling, seuils de bascule, etc.) ;

• l’intégration de capteurs et d’objets connectés pour affiner la mesure et anticiper les dérives.

L’enjeu est de faire du free cooling un levier durable de performance, et non un simple « bonus » saisonnier.

FAQ sur le free cooling

Le free cooling est-il adapté à tous les climats ?

Non, le potentiel n’est pas le même partout. Dans les climats froids et de plateau, le free cooling peut couvrir une grande partie de l’année et réduire la consommation de froid de plus de 50 %. Dans les zones tempérées, il est surtout intéressant la nuit et pendant les intersaisons, avec des économies de l’ordre de 10 à 30 % selon le profil du bâtiment.(sciencedirect.com) Dans les régions chaudes et humides, le nombre d’heures où l’air extérieur est à la fois suffisamment frais et sec est beaucoup plus limité, ce qui réduit l’intérêt économique et énergétique.

Quelle différence entre free cooling direct et indirect ?

On parle de free cooling direct lorsqu’on introduit directement l’air extérieur dans le bâtiment ou la salle informatique, après filtration et traitement hygrothermique éventuel. En free cooling indirect, l’air extérieur ne rentre pas dans les locaux : il refroidit un fluide (air ou eau) via un échangeur, qui lui-même refroidit le bâtiment ou le data center.(gartner.com) Le direct est plus simple et potentiellement plus efficace, mais impose des contraintes fortes de qualité d’air. L’indirect offre une meilleure maîtrise des conditions intérieures, au prix d’une complexité et de coûts d’investissement plus élevés.

Peut-on ajouter du free cooling sur une installation existante ?

Oui, de nombreux projets consistent à rétrofiter une installation existante en y ajoutant un économiseur d’air ou un système de free cooling par eau de refroidissement (échangeur à plaques, tours de refroidissement adaptées, automatismes). En France, la fiche CEE BAT‑TH‑156 encadre par exemple la mise en place de free cooling par eau de refroidissement en substitution d’un groupe froid dans le tertiaire.(opera-energie.com) Toutefois, la faisabilité et la rentabilité dépendent de la configuration de départ, des contraintes de site et du climat : une étude de faisabilité énergétique et technique est indispensable.

Le free cooling suffit-il pour respecter le décret tertiaire ?

Le free cooling est un levier efficace pour réduire la consommation liée au froid, mais il ne constitue qu’un volet de la stratégie globale exigée par le décret tertiaire (isolation, ventilation, chauffage, éclairage, pilotage, ENR, etc.).(agirpourlatransition.ademe.fr) Dans certains bâtiments très climatisés, il peut cependant contribuer de façon significative à l’atteinte des objectifs de réduction. L’approche la plus pertinente reste de construire un plan d’actions hiérarchisé, où le free cooling vient compléter d’autres mesures de sobriété et d’efficacité énergétique, en cohérence avec les contraintes d’usage et de confort.

Comment estimer les économies potentielles d’un projet de free cooling ?

L’estimation passe par plusieurs étapes : analyse climatique locale (heures à température et hygrométrie compatibles), profil de charge du bâtiment ou du data center, performances des équipements existants et scénarios d’exploitation. Des outils spécialisés, comme le Free‑Cooling Calculator issu du Green Grid pour les data centers, permettent de simuler l’impact énergétique de différentes stratégies de free cooling.(datacenters.lbl.gov) Dans la pratique, un audit énergétique ou une étude thermodynamique simplifiée restent la meilleure façon d’obtenir une estimation robuste des économies et du temps de retour sur investissement.

Et maintenant ? Passer du concept de free cooling à l’action

Si vous envisagez d’intégrer le free cooling à vos projets de data center, de rénovation tertiaire ou d’optimisation industrielle, l’enjeu est de l’inscrire dans une approche globale énergie–digital–new tech. Chez Score Group, nous mettons en synergie nos divisions Noor Energy, Noor ITS et Noor Technology pour analyser vos besoins, qualifier le potentiel de refroidissement naturel et concevoir, avec vos partenaires CVC, des solutions sur mesure.

Vous souhaitez évaluer le potentiel de free cooling sur un site existant ou un futur projet ? Prenez contact avec nos équipes via notre page contact afin d’échanger sur votre contexte, vos contraintes d’exploitation et vos objectifs de performance énergétique.