Wasserkühlungs-Mythos überprüft: Wie stark muss die Pumpe sein?

Wer vor der Hitzewelle nicht ins kühle Nass der nächstgelegenen Badestelle flüchtet, sondern fleißig weiter spielt, denkt oftmals darüber nach, stattdessen seiner Hardware eine feuchte Abkühlung zu spendieren. Jedes Jahr im Hochsommer bitten zahlreiche neue Wasserkühlungsinteressenten in den einschlägigen Foren um Hilfe bei der Zusammenstellung eines modularen Kreislaufes. Während hierbei meist zahlreiche Tests für Radiatoren und Kühler zu Rate gezogen werden, gehen die Empfehlungen zur Pumpenleistung fast immer auf subjektive Schätzungen zurück. Erfahrungswerte mit tatsächlich zu schwachen Pumpen fehlen dagegen und so florieren Mythen über die tatsächlichen Mindestanforderungen. Zeit für einen Test.

Mythos Pumpleistung: Worum geht es?

Um die Bedeutung der Frage zu verstehen, muss man Vor- und Nachteile einer höheren Pumpleistung betrachten. Letztere sind offensichtlich: Eine stärkere Pumpe ist in der Regel teurer, voluminöser und/oder vor allem deutlich lauter, als ein schwächeres Modell. Die Vorteile sind weniger offensichtlich, denn die Pumpe selbst trägt nicht zur Wärmeabgabe an die Umgebung bei; auch "Wasserbewegung" ist kein Selbstzweck.

Vielmehr geht es beim Durchfluss zum einen um den Wärmetransport im Kreislauf. Fließt das Wasser schneller, verteilt sich die in einem bestimmten Zeitraum anfallende Wärme auf eine größere Menge durchströmendes Wasser und diese heizt sich weniger stark auf. Umgekehrt hat das schnell strömende Wasser später im Radiator auch weniger Zeit, sich abzukühlen, so dass Durchschnittstemperatur und Kühlleistung nicht beeinflusst werden. Die Temperaturdifferenz zwischen kältestem und wärmsten Punkt im Kreislauf sinkt aber, was später bei der Interpretation von Testergebnissen eine Rolle spielen wird.

Mythos Pumpenleistung: Exkurs in Hydrodynamik

Quelle: PC Games Hardware In viele CPU-Kühlern und auch in eingen GPU-Kühlern erzwingen enge Schlitze eine höhere Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar vor der kühlstruktur Zum anderen hängt auch die Leistung der Kühlkörper vom Durchfluss ab. Grund hierfür ist das Phänomen der Grenzschichtbildung: Bei einer laminaren Strömung stehen die Wassermoleküle, die unmittelbaren Kontakt zum Metall des Kühlers haben, quasi still. Erst in einem gewissen Abstand zur Wand steigt die Fließgeschwindigkeit, die Hauptwärmeabfuhr findet erst im Zentrum des Kühlkanals statt. Um dorthin zu gelangen, muss die Wärme die Grenzschicht aus stehendem Wasser überwinden - und im Vergleich zu Kupfer ist Wasser ein ziemlich schlechter Wärmeleiter.

In Kühlkörpern strebt man deswegen eine turbulente Strömung an, deren Verwirbelungen die Schichtung aufbrechen. Die Mittel hierzu sind vielfältig und umfassen zum Beispiel verschiedene "Düsen"-Strukturen und speziell geformte Kühlkanäle. Allen Methoden sind aber zwei Dinge gemeinsam: Sie erreichen mehr Bewegung im Wasser und sie erhöhen den Widerstand des Kühlers. Genau diese beiden Parameter, Wasserdurchsatz und der zu überwindende Widerstand, definieren auch die Leistungsanforderungen an beziehungsweise die Leistung einer Pumpe.

Mythos Pumpenleistung: Herstellerangaben verstehen

Quelle: Lowara Im Vergleich zu vielen anderen Kreiselpumpen ist die Lowara DDC auf eine hohe Förderhöhe optimiert. Trotzdem kann sie in einer Wasserkühlung nicht annähernd ihren maximalen Durchfluss erbringen. Seitens der Hersteller werden sie über eine "Förderhöhe" und ein "maximales Fördervolumen" angegeben. Anfängern fällt insbesondere die zweite, höhere Angabe ins Auge, aber was sagen einem diese Werte? Technisch betrachtet handelt es sich um die beiden Extremwerte einer Leistungskennlinie aus Druck-Durchfluss-Beziehungen. Bauartbedingt hat eine Kreiselpumpe nämlich keinen festen Durchsatz. Vielmehr drückt sie permanent Wasser in Richtung Auslass - ob beziehungsweise wie viel Wasser dort auch herauskommt, hängt vom Gegendruck im Kreislauf ab. Die Extremwerte sind das maximale Fördervolumen (Durchsatz ohne Gegendruck) und die maximale Förderhöhe (Druckaufbau gegen einen unendlichen Widerstand, also gar kein Durchfluss). Für Wasserkühlungskreisläufe sollte man sich dabei eher am druck- denn durchsatzseitigem Ende der Pumpenkennlinie orientieren.

Mythos Pumpenleistung: Die Praxis

Was kann man nun in der Realität an der Pumpenkennline ablesen (wenn der Hersteller denn eine angibt)? Meist gar nichts. Denn nicht nur der gelieferte Durchfluss hängt vom Druckaufbau ab, den die Pumpe erbringen soll. Auch der Gegendruck des Kreislaufes, den sie damit überwinden soll, ist vom Durchfluss abhängig - schneller fließendes Wasser erzeugt eben mehr Reibung, ganz langsam fließendes so gut wie keine. (Wer es nicht glaubt, sticht mit einer dünnen Nadel ein Loch in einen gefüllten Pappbecher. Obwohl die Öffnung viel enger ist als ein Wasserkühler, läuft der Becher langsam aus - ganz ohne Pumpe.)

Beide Relationen sind zudem nicht linear und interagieren gegenläufig. Ein höherer Widerstand und damit Gegendruck senkt den Durchfluss, dadurch sinkt aber wiederum der Gegendruck. Das System pendelt sich auf einem niedrigeren Wert ein - aber nicht so niedrig, wie man nach einfachen Überschlagsrechnungen annehmen würde. Um das zu verdeutlichen und zu überprüfen, haben wir den Praxistest gemacht.

Mythos Pumpenleistung: Der Testaufbau

Quelle: PC Games Hardware Der Einsatz realer Kühlkörper anstelle beispielsweise eines Absperrhahns zur Erzeugung von Widerstand stellt einen Praxisbezug unserer Messungen her. Die Kühleranzahl macht ihn wieder zunichte ;-) Herzstück des Kreislaufes ist eine Aquastream XT. Die beliebte Pumpe betreiben wir mit 50 Hz (3000 U/min), der niedrigsten wählbaren Einstellung. Damit entspricht die Leistung derjenigen des Eheim-1046-Basismodells und kann auf andere Produkte übertragen werden; die Lautheit bleibt auf einem sehr niedrigen Wert. Wo, wenn nicht in Ultra-Silent-Konfigurationen läuft man Gefahr, zu wenig Leistung zu haben?

Zur Messung der Kühlleistung ergänzen wir den Kreislauf um eine wassergekühlte Radeon R9 290 (ausgelastet mittels Furmark) und der 150-W-TDP-CPU aus unserem Luftkühler-Testsystem (Xeon E5-2687W, 7 von 8 Sandy-Bridge-Kernen mit Core Damage ausgelastet), den wir ebenfalls mit einem Wasserkühler versehen. Abgegeben wird die Wärme von einem 3×120-mm-Radiator, uns interessiert aber vor allem die Leistung der Kühlkörper und der Pumpe: Wird die Kühlleistung bei sinkendem Durchfluss erhalten bleiben? Wie kommt die Pumpe mit zusätzlichem Widerstand klar?

Um Letzteres zu testen, reduzieren wir den Durchfluss nicht über eine Steuerung der Pumpe oder über künstliche Beschränkungen, sondern über zusätzliche Kühlkörper. Durch die Einbindung von zwei weiteren Grafikkartenkühlern simulieren wir den Widerstand eines Triple-GPU-Systems; da wir aber weiterhin nur eine Karte tatsächlich betreiben, sind die Temperaturmessungen direkt vergleichbar. Mit diesem High-End-System ist aber noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht, zusätzlich simulieren wir den hypothetischen Extrem-Fall mit bis zu neun CPU- und GPU-Kühlkörpern im Kreislauf. Wie die Silent-Pumpe damit wohl zurechtkommt?

Mythos Pumpenleistung: Die Ergebnisse

Die klare Antwort: Ausreichend. Das liegt weniger daran, dass sich Pumpen nicht an zusätzlichen Kühlern im Kreislauf stören würden, im Gegenteil. Ausgehend von 73 l/h senken zwei zusätzliche GPU-Kühler den Durchfluss deutlich auf 55 l/h. Weitere Strömungshindernisse wirken sich zwar weniger stark aus, da der zusätzliche Anstieg relativ zum schon vorhandenen Widerstand nicht mehr so groß ausfällt. In unserem Extrem-Szenario verbleiben trotzdem nur 35 l/h - nicht einmal die Hälfte des Ausgangsszenarios und deutlich weniger als die 60 l/h Minimalempfehlung, die in vielen Foren kursiert.

Trotzdem genügt diese Pumpenleistung, denn die Kühlkörper reagieren kaum auf den gesenkten Durchfluss. Auf der CPU messen wir ein Kelvin höhere Temperaturen im Szenario mit vier statt zwei Kühlkörpern im Kreislauf, auf der GPU in beiden Fällen die gleiche Temperatur. Selbst in unserem Extremfall steigt der Wert für die CPU-Wasserdifferenztemperatur nur um 2,7 K, der für die GPU sinkt gar um 0,1 K. Dieser scheinbare Widerspruch lässt sich mit der oben erwähnten Temperaturverteilung im Kreislauf erklären: Im Extremszenario liegt die Temperatur des Wassers, das in den Grafikkartenkühler fließt, 3,7 K unter der durchschnittlichen Wassertemperatur, im Szenario mit zwei Kühlern beträgt die Abweichung nur 2,2 K. Der CPU-Kühler leidet bei geringem Durchfluss dagegen unter dem stärker vorgewärmten Wasser aus dem GPU-Kühler, was den Verlust an Kühlleistung betont. Eine grobe Korrektur auf Grundlage der erzeugten Wärme ergibt 0,4 K Kühlleistungsverlust am CPU-Kühler und 0,1 K Verlust auf der GPU, wenn sich vier statt zwei Kühler im Kreislauf befinden.

Mythos Pumpenleistung: Fazit

Die Temperaturunterschiede zeigen es deutlich: Pumpen- und Kühlleistung korrelieren nur theoretisch. In der Praxis sind selbst Ultra-Silent-Pumpen so stark, dass man vier PCs mit einer Pumpe kühlen könnte. "Zur Sicherheit ein Bisschen mehr" ist beim Pumpenkauf also eine überflüssige Vorsichtsmaßnahme, Besitzer von Hochleistungsmodellen können die oft vorhandenen Regelmöglichkeiten getrost für eine Absenkung der Lautstärke nutzen.

Eine detailliertere Betrachtung der Kühler-Pumpen-Interaktion mit weiteren Szenarien und einer detaillierten Analyse der einhergehende Förderhöhen/-drücke finden Sie in der kommenden PCGH 09/2015 (EVT 5.8.), ausführliche Informationen zu Wasserkühlern, Radiatoren und Pumpen in unserem aktuellen Sonderheft Wasserkühlung.

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Wasserkühlungs-Mythos überprüft: Wie stark muss die Pumpe sein? "Ist diese Pumpe auch stark genug?" fragt fast jeder bei der Zusammenstellung einer Wasserkühlung. Die Antworten bestehen meist aus Vorurteilen und Faustregeln, deren Ursprung niemand kennt. Zeit für einen objektiven Test, wieviel Kühlkörper eine typische Pumpe tatsächlich bewältigen kann.

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