Dans les applications où le besoin de froid dure toute l’année mais où la température demandée n’est pas très basse, l’extérieur est déjà, en hiver, plus froid que le milieu à refroidir. Le free cooling exploite cet écart : l’eau ou le glycol passe dans une batterie à ailettes refroidie par l’air extérieur ; le compresseur s’arrête ou sa charge diminue. L’énergie dépensée n’est que celle des ventilateurs et des pompes ; elle est de l’ordre du dixième au vingtième de celle du froid mécanique. Les heures de fonctionnement des compresseurs diminuant, la dépense d’entretien baisse aussi.
Sur les chillers, la batterie de free cooling se place devant le condenseur. Quand l’air extérieur descend 1–2 K sous la température de l’eau revenant du système, le free cooling partiel commence ; la batterie pré-refroidit l’eau, le compresseur fait le reste. Quand l’air extérieur descend 8–10 K sous la température d’eau demandée, les compresseurs s’arrêtent complètement. Pour un process demandant de l’eau à 15/20 °C, cela représente la plus grande partie de l’année ; à 7/12 °C, les heures diminuent. Le passage est automatique ; une vanne à trois voies ou une pompe séparée dirige l’eau vers la batterie.
Les domaines les plus adaptés sont l’injection plastique et le refroidissement de machines, les centres de données, les centrales de traitement d’air fonctionnant toute l’année et les zones de transformation tenues à 10–15 °C. En stockage, une méthode analogue est la ventilation nocturne, à l’air extérieur froid, de produits comme l’oignon, la pomme de terre ou l’ail : quand l’air extérieur est plus froid de 2–3 K que le produit et que son humidité convient, les trappes s’ouvrent, les ventilateurs tournent et le froid mécanique n’intervient qu’en période chaude. Si les sondes d’air extérieur ne sont pas placées au bon endroit, de l’air tiède est admis à la mauvaise heure.
Ce qui détermine le gain, c’est la température demandée et le climat du lieu ; les régions de climat continental, à hiver long et à nuits fraîches, sont favorables. Le calcul se fait avec des données climatiques horaires. La batterie extérieure présentant un risque de gel, on utilise du glycol dans le circuit ou l’on intercale un échangeur. Quand le compresseur fonctionne, la batterie crée une résistance à l’air supplémentaire pour le condenseur. En conservation négative et dans les chambres autour de 0 °C, la part du free cooling est très faible. La décision d’investissement se prend en regardant le total annuel des heures de free cooling.