En el coste operativo de un data center, la climatización representa entre el 30% y el 50% del consumo eléctrico total. Un sistema de refrigeración convencional funciona extrayendo calor mediante compresores mecánicos, independientemente de si fuera hace 5 °C o 40 °C. Esto supone un despilfarro enorme durante los meses de otoño, invierno y primavera en los que la temperatura exterior podría utilizarse directamente para refrigerar, o al menos para reducir significativamente el trabajo del compresor.
El free cooling —también llamado economizador o economizer en la literatura anglosajona— es el conjunto de técnicas que aprovechan la temperatura exterior baja para reducir o eliminar el uso del compresor en la refrigeración del data center. En el clima español, con sus amplias variaciones de temperatura entre estaciones y entre regiones, el potencial de ahorro del free cooling es muy significativo: dependiendo de la ubicación y el diseño, entre el 30% y el 70% de las horas anuales pueden aprovecharse para free cooling parcial o total.
Fundamentos del free cooling
El principio básico: el calor solo fluye del caliente al frío
La refrigeración convencional por compresor funciona "bombeando" calor en contra de su dirección natural: extrae calor de un espacio cálido (el data center) y lo vierte a un foco caliente (el exterior). Para hacer esto, necesita un compresor que consume energía para forzar el ciclo termodinámico.
Cuando la temperatura exterior es más baja que la temperatura del data center, el calor fluye de forma natural del interior (más caliente) al exterior (más frío). No hace falta compresor: un simple intercambiador de calor puede transferir el calor del data center al exterior aprovechando esta diferencia de temperatura. La única energía necesaria es la de los ventiladores para mover el aire o las bombas para mover el agua.
Esta es la esencia del free cooling: utilizar la temperatura exterior baja como "sumidero de calor" gratuito en lugar de gastar energía en el compresor. La reducción del consumo eléctrico del sistema de refrigeración durante las horas de free cooling es del 50-80% dependiendo del modo de operación (free cooling parcial con ayuda del compresor, o free cooling total sin compresor).
Temperatura de habilitación del free cooling
La temperatura exterior a partir de la cual el free cooling puede activarse depende de la temperatura de suministro del sistema de climatización:
- Si el sistema está diseñado para suministrar aire a 18 °C, el free cooling puede activarse cuando la temperatura exterior baja de aproximadamente 14-16 °C (se necesita un margen para la transferencia de calor en el intercambiador)
- Si el sistema puede suministrar aire a 24 °C (posible con equipos ASHRAE A2 y buena contención de pasillos), el free cooling puede activarse con temperatura exterior de hasta 20-22 °C
Esta diferencia es fundamental: elevar la temperatura de diseño del suministro de 18 °C a 24 °C puede duplicar o triplicar las horas anuales de free cooling disponibles en el clima español.
Tipos de free cooling
Free cooling directo (adiabático o de aire exterior directo)
En el free cooling directo, el aire exterior entra en el data center (o en el equipo de climatización) sin pasar por un ciclo de refrigeración mecánica. En su forma más simple, se trata literalmente de abrir unas compuertas y hacer entrar aire exterior frío, filtrarlo y distribuirlo a los racks.
Variante adiabática: en condiciones de temperatura exterior moderada pero con calor suficiente para necesitar refrigeración, el free cooling adiabático hace pasar el aire exterior por un humidificador (pad evaporativo o nebulización) que lo enfría por evaporación antes de introducirlo en el data center. El enfriamiento adiabático puede bajar la temperatura del aire 5-15 °C en condiciones de baja humedad relativa (muy comunes en el interior de la Península Ibérica en verano).
Ventajas del free cooling directo: bajo coste inicial, alta eficiencia en free cooling total (el consumo se reduce al mínimo de los ventiladores y bombas).
Desventajas: el aire exterior arrastra polvo, humedad, contaminantes y en algunos climas (costa mediterránea, zona industrial) partículas corrosivas que pueden dañar los componentes electrónicos. Requiere filtración exhaustiva y monitorización de la calidad del aire. También introduce variaciones de humedad en la sala que el sistema de control de humedad debe gestionar.
Aplicación: el free cooling directo es habitual en grandes data centers en climas fríos y secos del norte de Europa, pero es menos frecuente en España por las preocupaciones de calidad del aire, especialmente en entornos urbanos e industriales.
Free cooling indirecto (intercambiador aire-agua o aire-refrigerante)
El free cooling indirecto utiliza un intercambiador de calor para transferir el calor del circuito interior al exterior sin mezclar los flujos de aire. El circuito interior (con el aire del data center o el refrigerante del sistema de climatización) y el circuito exterior (con agua o aire frío) están físicamente separados: solo el calor pasa de uno al otro.
Free cooling indirecto en sistemas de agua helada: cuando la temperatura exterior es suficientemente baja, una torre de refrigeración o un enfriador adiabático exterior puede producir agua fría sin activar el compresor del chiller. El agua fría se distribuye como siempre a las unidades CRAH interiores, que no necesitan saber si el calor se está rechazando con o sin compresor. El chiller se desconecta total o parcialmente.
Free cooling indirecto en sistemas DX: Econophase
Para sistemas DX (expansión directa), el free cooling indirecto es más complejo porque el circuito de refrigerante es un circuito cerrado de alta presión. La tecnología Econophase de Vertiv, implementada en la familia Liebert DSE, resuelve este problema de forma elegante.
El sistema Econophase utiliza un circuito de refrigerante secundario (a baja presión, con un refrigerante diferente o con el mismo refrigerante a presiones más bajas) que circula entre el condensador exterior y un intercambiador de calor dentro de la unidad. Cuando la temperatura exterior es suficientemente baja, el refrigerante secundario se enfría en el condensador exterior sin necesidad de comprimir: la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior es suficiente para que el calor fluya naturalmente. El refrigerante frío pasa al intercambiador interior donde absorbe el calor del circuito principal, y el compresor puede desconectarse parcial o totalmente.
Modos de operación del Liebert DSE con Econophase:
- Modo mecánico puro: temperatura exterior > 20 °C. El compresor trabaja a plena capacidad. COP ≈ 2,5-3,5.
- Modo Econophase parcial (partial economizer): temperatura exterior entre 8 °C y 20 °C. El compresor trabaja a capacidad reducida, asistido por el circuit Econophase. COP ≈ 4-6.
- Modo Econophase total (full economizer): temperatura exterior < 8 °C. El compresor está completamente desconectado. El sistema funciona solo con el circuito Econophase. Consumo reducido al 20-30% del modo mecánico puro. COP efectivo > 8.
Horas de free cooling disponibles en España por región
Las horas anuales de free cooling aprovechables dependen de la temperatura umbral del sistema (determinada por la temperatura de suministro de diseño) y de las temperaturas exteriores reales en cada localización. Los datos siguientes se basan en datos climáticos históricos (AEMET, medias 1991-2020) y consideran un sistema con temperatura umbral de 18 °C (diseño conservador con suministro a 22 °C):
Norte de España (clima oceánico y cantábrico)
Bilbao, San Sebastián, Santander, A Coruña
Temperatura media anual: 13-15 °C. Veranos suaves (raramente supera 30 °C), inviernos frescos (5-10 °C).
- Horas con temperatura exterior < 18 °C: aproximadamente 6.200-6.800 h/año (71-78% del año)
- Horas con temperatura exterior < 10 °C (free cooling total en sistemas Econophase): aproximadamente 2.800-3.500 h/año (32-40%)
Implicación: en estas localidades, un sistema con Econophase puede operar sin compresor durante casi un tercio del año y en modo asistido durante más de dos tercios. El COP anual efectivo puede superar 5-6.
Meseta norte (clima continental seco)
Madrid, Valladolid, Zaragoza, Burgos
Madrid tiene veranos muy calurosos (40+ °C en julio-agosto) pero inviernos fríos (-5 a +10 °C) y primaveras/otoños largos con temperaturas moderadas.
- Horas con temperatura exterior < 18 °C en Madrid: aproximadamente 4.800-5.200 h/año (55-59% del año)
- Horas con temperatura exterior < 10 °C: aproximadamente 2.200-2.800 h/año (25-32%)
Implicación: incluso en Madrid, más de la mitad del año el free cooling puede activarse. Combinado con la posibilidad de elevar la temperatura de suministro a 24 °C (ampliando el umbral de activación al umbral ≈ 20 °C), las horas de free cooling aumentan a aproximadamente 5.800-6.200 h/año (66-71%).
Levante y Cataluña (clima mediterráneo)
Barcelona, Valencia, Alicante, Murcia
Veranos cálidos y húmedos, inviernos suaves. La temperatura raramente baja de 5 °C.
- Horas con temperatura exterior < 18 °C en Barcelona: aproximadamente 4.200-4.600 h/año (48-53%)
- Horas con temperatura exterior < 10 °C: aproximadamente 1.200-1.600 h/año (14-18%)
Implicación: el clima mediterráneo ofrece menos horas de free cooling total que el continental, pero todavía un potencial significativo. La alta humedad relativa en verano puede complicar el free cooling directo pero no el indirecto.
Sur de España (clima mediterráneo y semiárido)
Sevilla, Málaga, Córdoba, Granada, Almería
Los veranos más calurosos de la Península, pero inviernos relativamente suaves.
- Horas con temperatura exterior < 18 °C en Sevilla: aproximadamente 3.800-4.200 h/año (43-48%)
- Horas con temperatura exterior < 10 °C: aproximadamente 700-1.000 h/año (8-11%)
Implicación: el sur de España tiene el menor potencial de free cooling de la Península. En Sevilla y Córdoba, los meses de junio a septiembre prácticamente no ofrecen horas de free cooling. Sin embargo, los 8 meses restantes (octubre a mayo) ofrecen oportunidades significativas, y elevar la temperatura de diseño del suministro es aún más importante aquí para maximizar el aprovechamiento.
Resumen comparativo de horas de free cooling en España
| Ciudad | Temp. umbral 18 °C (h/año) | % del año | Temp. umbral 22 °C (h/año) | % del año | |--------|---------------------------|-----------|---------------------------|-----------| | Bilbao | 6.500 | 74% | 7.100 | 81% | | Madrid | 5.000 | 57% | 5.900 | 67% | | Zaragoza | 4.800 | 55% | 5.700 | 65% | | Barcelona | 4.400 | 50% | 5.200 | 59% | | Valencia | 4.100 | 47% | 5.000 | 57% | | Sevilla | 4.000 | 46% | 4.900 | 56% | | Málaga | 4.300 | 49% | 5.100 | 58% |
Cálculo del ahorro energético del free cooling
Metodología de cálculo simplificada
Para estimar el ahorro anual por free cooling, necesitamos:
- La potencia eléctrica del sistema de refrigeración en modo mecánico (sin free cooling)
- La potencia en modo Econophase parcial y total
- Las horas de cada modo en la localización específica
Ejemplo para un CPD en Madrid con Liebert DSE 35kW:
Datos del sistema:
- Carga de refrigeración: 28 kW (datos de la instalación)
- Potencia eléctrica en modo mecánico: 10,5 kW (COP = 28/10,5 ≈ 2,7)
- Potencia en modo Econophase parcial (T < 18 °C): 5,0 kW (COP ≈ 5,6)
- Potencia en modo Econophase total (T < 8 °C): 2,5 kW (COP ≈ 11,2)
Distribución de horas en Madrid (umbral 18 °C):
- Horas modo mecánico (T > 18 °C): 8.760 - 5.000 = 3.760 h/año
- Horas modo Econophase parcial (10 °C < T < 18 °C): 5.000 - 2.500 = 2.500 h/año
- Horas modo Econophase total (T < 10 °C): 2.500 h/año
Consumo anual SIN free cooling (todo el año en modo mecánico):
- 8.760 h × 10,5 kW = 91.980 kWh/año
Consumo anual CON free cooling (Econophase):
- Mecánico: 3.760 h × 10,5 kW = 39.480 kWh
- Econophase parcial: 2.500 h × 5,0 kW = 12.500 kWh
- Econophase total: 2.500 h × 2,5 kW = 6.250 kWh
- Total con Econophase: 58.230 kWh/año
Ahorro energético: 91.980 - 58.230 = 33.750 kWh/año = 36,7% de ahorro
Ahorro económico (precio electricidad industrial 0,12 €/kWh): 33.750 × 0,12 = 4.050 €/año por unidad DSE
Para una instalación con 4 unidades DSE 35kW, el ahorro anual total sería aproximadamente 16.200 €/año.
ROI del free cooling: análisis de inversión
Coste adicional del free cooling vs. sistemas convencionales
Los sistemas de climatización con free cooling (como el Liebert DSE con Econophase) tienen un coste inicial superior a los sistemas equivalentes sin free cooling, por la mayor complejidad del circuito secundario y los controles adicionales. La diferencia de precio entre un CRAC convencional y uno con Econophase es aproximadamente del 20-35% para capacidades equivalentes.
Para un Liebert DSE 35kW:
- CRAC de precisión equivalente sin free cooling: ~18.000-22.000 € (instalado)
- Liebert DSE 35kW con Econophase: ~24.000-30.000 € (instalado)
- Sobrecoste del free cooling: ~6.000-8.000 €
Con un ahorro de 4.050 €/año por unidad en Madrid:
- Período de retorno: 6.000-8.000 / 4.050 ≈ 1,5 – 2 años
En Bilbao, con más horas de free cooling, el período de retorno sería aún menor (≈ 1 año). En Sevilla, con menos horas, sería de 2,5-3 años, todavía muy favorable.
Impacto en el PUE
El free cooling no solo ahorra energía en el sistema de climatización: mejora el PUE (Power Usage Effectiveness) de la instalación. Un data center con PUE de 1,6 (sin free cooling, sistema de refrigeración convencional) puede mejorar a PUE 1,3-1,4 con free cooling activo durante las horas del año en que está disponible. El PUE anual efectivo —la media ponderada por horas— puede situarse en 1,35-1,45 en Madrid y 1,25-1,35 en Bilbao.
Esta mejora tiene impacto directo en el coste operativo total del data center: si la carga IT es 100 kW y el PUE mejora de 1,6 a 1,4, el ahorro en electricidad total (no solo en refrigeración) es de 20 kW continuos, o 175.200 kWh/año, o aproximadamente 21.000 €/año a 0,12 €/kWh.
Condiciones para maximizar el aprovechamiento del free cooling
1. Elevar la temperatura de suministro del aire
La medida más impactante para maximizar las horas de free cooling es elevar la temperatura de consigna del suministro de aire. Cada grado de aumento en la temperatura de suministro amplía el rango de temperaturas exteriores en las que el free cooling puede activarse.
Condición necesaria: los equipos IT instalados deben estar certificados para la temperatura de entrada correspondiente. Con equipos ASHRAE A2 (la mayoría de servidores modernos) y contención de pasillos bien implementada, operar con temperatura de suministro de 24-26 °C es perfectamente seguro.
2. Contención de pasillos
La contención de pasillos frío o caliente es el complemento natural del free cooling. Al eliminar la mezcla de aire frío y caliente, la contención permite elevar la temperatura de suministro sin riesgo de que algunos racks reciban aire demasiado caliente por recirculación. La combinación de ambas medidas es sinérgica: la contención hace posible elevar la temperatura de diseño, y la mayor temperatura de diseño amplía las horas de free cooling.
3. Control avanzado con sensores de temperatura exterior
El sistema de control debe monitorizar continuamente la temperatura (y humedad) exterior para activar el free cooling en cuanto las condiciones lo permitan y desactivarlo cuando la temperatura suba. Los sistemas Liebert DSE con iCOM hacen esto de forma automática y pueden conectarse a estaciones meteorológicas locales para anticipar los cambios de temperatura.
4. Mantenimiento del intercambiador exterior
El intercambiador de calor del condensador exterior (o el circuito Econophase) debe mantenerse limpio para que la transferencia de calor sea eficiente. La suciedad en las aletas del condensador puede reducir el rendimiento del free cooling en un 15-30%, requiriendo temperaturas exteriores más bajas para activarlo. Un programa de limpieza semestral del condensador exterior es suficiente en la mayoría de las instalaciones.
Free cooling en sistemas de agua helada: el economizador de la torre
En data centers con sistema de agua helada, el free cooling se implementa mediante el "economizador de la torre" (waterside economizer): cuando la temperatura exterior permite producir agua fría sin activar el compresor del chiller, el circuito de refrigeración se reconfigura para producir agua fría directamente en la torre de refrigeración o en un enfriador adiabático, y el chiller se apaga.
Los sistemas Liebert PCW de Vertiv están diseñados para trabajar con agua de alta temperatura (hasta 18 °C de temperatura de suministro en lugar de los 6-8 °C convencionales), lo que amplía las horas en las que el economizador puede operar sin el chiller. Esta capacidad de "high-temperature chilled water" es especialmente relevante en climas como el español, donde el economizador con agua convencional (6-8 °C) tiene muchas menos horas disponibles que con agua de alta temperatura (12-18 °C).
Preguntas frecuentes
¿El free cooling funciona en verano en España?
En las zonas de clima continental (Madrid, Castilla), el free cooling puede activarse parcialmente en los meses de junio y septiembre (noches frescas) pero no en julio y agosto. En el norte de España (Bilbao, Santander), es posible tener algunos días de free cooling incluso en julio en años normales. En el sur (Sevilla, Córdoba), junio-septiembre ofrece muy pocas horas de free cooling incluso con sistemas de alta temperatura.
¿Necesita el free cooling que la temperatura exterior sea menor que la temperatura del data center?
No es exactamente así. La temperatura exterior debe ser menor que la temperatura de suministro del sistema de climatización (no la temperatura de la sala). Con una temperatura de sala de 25 °C y un sistema diseñado para suministrar aire a 24 °C, el free cooling puede activarse cuando la temperatura exterior baja de aproximadamente 20-22 °C. En cambio, si el sistema está diseñado para suministrar a 18 °C, necesita temperatura exterior de 14-16 °C.
¿Puede el free cooling causar condensación en los equipos?
Si el free cooling directo introduce aire húmedo en la sala, sí existe riesgo de condensación si la temperatura de los equipos es menor que el punto de rocío del aire exterior. Con free cooling indirecto (Econophase, intercambiadores de calor), no hay riesgo de condensación porque el aire del data center no está en contacto directo con el exterior. Para el free cooling directo, el control de humedad y la supervisión del punto de rocío son esenciales.
¿Es el free cooling compatible con cualquier sistema de climatización de precisión?
No. Los sistemas de climatización convencionales sin Econophase u otro mecanismo de economizador no pueden aprovechar el free cooling. Si quieres añadir free cooling a un sistema existente sin esa característica, necesitarías sustituir las unidades o añadir un sistema de enfriamiento adiabático exterior separado. Por eso es importante especificar el free cooling (Econophase en el caso del Liebert DSE) en el momento del diseño inicial, no como una mejora posterior.
¿Qué mantenimiento adicional requiere un sistema con Econophase?
El circuito Econophase añade tuberías de refrigerante secundario y un intercambiador de calor adicional. El mantenimiento incremental es modesto: inspección anual del circuito secundario (nivel de refrigerante, posibles fugas), limpieza semestral del condensador exterior (igual que en cualquier sistema DX), y verificación del correcto funcionamiento de las válvulas de conmutación entre modos mecánico y Econophase. El sobrecoste de mantenimiento es mínimo comparado con el ahorro energético que proporciona el sistema.