Online-Abo
  • Login
  • Registrieren
Games World
  • 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.

    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.

    06:39
    Wasserkühlungs-Mythos im Video: Wie stark sollte die Pumpe sein?

    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

          

    In viele CPU-Kühlern und auch in eingen GPU-Kühlern erzwingen enge Schlitze eine höhere Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar vor der kühlstruktur In viele CPU-Kühlern und auch in eingen GPU-Kühlern erzwingen enge Schlitze eine höhere Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar vor der kühlstruktur Quelle: PC Games Hardware 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

          

    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. 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. Quelle: Lowara 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

          

    Der Einsatz realer Kühlkörper anstelle beispielsweise eines Absperrhahns zur Erzeugung von Widerstand stellt einen Praxisbezug unserer Messungen her. Die Kühleranzahl macht ihn wieder zunichte ;-) Der Einsatz realer Kühlkörper anstelle beispielsweise eines Absperrhahns zur Erzeugung von Widerstand stellt einen Praxisbezug unserer Messungen her. Die Kühleranzahl macht ihn wieder zunichte ;-) Quelle: PC Games Hardware 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.

    wakü-durchfluss-analyse

    • Kühlleistung
    • Durchfluss
    Info Icon
    Szenario Differenztemperaturen mit Aquastream XT bei 50 Hz
    • Produkte ein-/ausblenden

    18.1
    24.6
    7.6
    18.2
    22.9
    5.4
    18.2
    21.9
    4.3
    0
    5
    10
    15
    20
    25
    Name
    (Differenztemperatur Wasser-GPU [Kelvin])
    (Differenztemperatur Wasser-CPU [Kelvin])
    (Temperaturdifferenz im Kreislauf [Kelvin])

    System

    E5-2687W, R9 290; Core Damage, Furmark; GPU- vor CPU-Kühler, Wassertemperaturmessung zwischen GPU und Radiator sowie zwischen CPU und Radiator

    Resultate nicht unbedingt vergleichbar mit früheren Reviews/Results not necessarily comparable with earlier reviews

    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.

    Wissenswert: Mehr Informationen zum Thema finden Sie in:
    Wasserkühlung für PC selber zusammenbauen - Anleitung
      • Von bofri Komplett-PC-Aufrüster(in)
        Sehr schöner Artikel, betreibe meine Pumpe auch immer bei niedrigster Frequenz, da mir leise sowieso wichtiger als kühl ist und Temperaturunterschied vernachlässigbar.
      • Von TheTou Kabelverknoter(in)
        Schöner Artikel, betreibe meine Laing DDC mit minimaler Spannung. Konnte keine Temperaturunterschiede zu 100% Pumpenleistung feststellen. Nur wesentlich höhere Geräuschkulisse.
      • Von Superwip Lötkolbengott/-göttin
        Zitat
        Dieser Artikel hat nicht den Anspruch, die Leistungskennlinien einer großen Anzahl von Wasserkühlungskomponenten zu ermitteln. Da sehe ich ehrlich gesagt die Hersteller in der Pflicht, die Ausmessung zahlreicher Kühlkörper in vier Dimensionen (Durchfluss, Temperaturbereich, Heizleistung, Auflagefläche) kann eine allgemeine Hardware-Redaktion nicht leisten.
        Natürlich wäre es schon wenn die Hersteller das machen würden... tun sie aber leider nur in den seltensten Fällen.

        Allerdings: Solche Prüfungen sind eigentlich nicht schwierig wenn man erst einen Prüfaufbau gebastelt hat.
      • Von PCGH_Torsten Redakteur
        Zitat von Superwip
        Grundsätzlich hab ich mir einen Artikel dieser Art schon länger erhofft. Aber ich hätte mir noch etwas mehr erwartet.

        Zur Hydrodynamik:
        In diesem Bereich könnte man durchaus noch etwas sagen undzwar indem man analog zum Durchsatz/Förderhöhe-Diagramm bei Pumpen ein Strömungswiderstand/Durchfluss Diagramm für sonstige Kreislaufkomponenten angibt. Wenn von jeder Komponente im Kreislauf entsprechende Daten verfügbar wären könnte man im Zuge der Auslegung des Wasserkühlkreislaufs den Durchfluss einer bestimmten Konfiguration schon vorher in guter Näherung berechnen. Den Strömungswiderstand von Rohr- und Schlauchleitungen kann man dabei mit gängigen Formeln in guter Näherung berechnen. Für entsprechende Berechnungen kann man sich auch entsprechender Software bedienen (im 'einfachsten' Fall Excel,...).

        Thermohydraulik:
        Hier ist zunächst festzuhalten das der Wärmestrom den ein Wasserkreislauf abtransportieren kann auf triviale Weise linear abhängig vom Durchfluss, der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmediums (bei Wasser bekanntlich ~4,2kJ/(kg*K)) und der Temperaturdifferenz im Kreislauf ist was im Artikel leider fehlt, für Auslegungsberechnungen aber häufig in guter Näherung genutzt werden kann wenn der Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Wasser in grober Näherung vernachlässig ist, was durchaus häfig der Fall ist. Hinzu kommt ein erwähnter und im allgemeinen nicht-linear vom Durchfluss und zum Teil auch der Wassertemperatur und Temperaturdifferenz Kühler<->Wasser (die Temperaturen sind vor allem in der Nähe des Siedepunkts relevant was hier aber freilich im allgemeinen nicht gegeben ist auch wenn man entsprechende Effekte prinzipiell ausnutzen kann in dem man ein anderes Fluid als Wasser verwendet) abhängiger Wärmewiderstand zwischen Kühlkörpern und Wasser der sich aber experimentell in guter Näherung für verschiedene Durchflüsse ermitteln lässt. Wie schon angedeutet ist der Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Wasser bei modernen Feinstruktur-Kühlkörpern aber häufig und weitgehend unabhängig vom Durchfluss in guter Näherung vernachlässigbar.

        Zur Versuchsdurchführung:
        Leider werden mal wieder nicht Einzelkomponenten getestet sondern es wird ein komplexer Wasserkühlkreislauf als ganzes getestet. Die Auswahl der Pumpe für den Versuch ist angesichts der bekannten schlechten Regelbarkeit der Eheim-Pumpen im Vergleich zu Brushless-DC Pumpen eher suboptimal. Anstelle der zusätzlichen Radiatoren als Drossel wären einstellbare Drosselventile wohl besser gewesen. Ein offener Kreislauf mit absoluter Quantifizierung des Durchflusses und konstant gehaltener Temperatur am kalten Strang sowie mit nur einem Kühlkörper (mit Test unterschiedlicher Kühlkörper) wäre wohl representativer und würde die Gewinnung von Daten zulassen die für Auslegungsberechnungen genutzt werden können. Als Wärmequelle sind Heizelemente mit genau bekannter Leistung, Temperatur und Wärmeübergangsfläche zum Kühler freilich auch besser geeignet und representativer als CPUs oder GPUs deren Leistung wiederum stark temperaturabhängig ist,...

        ____
        Dieser Artikel hat nicht den Anspruch, die Leistungskennlinien einer großen Anzahl von Wasserkühlungskomponenten zu ermitteln. Da sehe ich ehrlich gesagt die Hersteller in der Pflicht, die Ausmessung zahlreicher Kühlkörper in vier Dimensionen (Durchfluss, Temperaturbereich, Heizleistung, Auflagefläche) kann eine allgemeine Hardware-Redaktion nicht leisten.
        Für diese Messung habe ich den Schwerpunkt jedenfalls auf den Praxisbezug gelegt und kaum jemand fragt nach der Auswirkung von Drosselventilen. Eheim-Pumpen lassen sich bei entsprechender Ansteuerung übrigens besser regeln als Asynchronantriebe, deren Drehzahl bei gleichem Vorgabewert lastabhängig schwankt.
      • Von Superwip Lötkolbengott/-göttin
        Grundsätzlich hab ich mir einen Artikel dieser Art schon länger erhofft. Aber ich hätte mir noch etwas mehr erwartet.

        Zur Hydrodynamik:
        In diesem Bereich könnte man durchaus noch etwas sagen undzwar indem man analog zum Durchsatz/Förderhöhe-Diagramm bei Pumpen ein Strömungswiderstand/Durchfluss Diagramm für sonstige Kreislaufkomponenten angibt. Wenn von jeder Komponente im Kreislauf entsprechende Daten verfügbar wären könnte man im Zuge der Auslegung des Wasserkühlkreislaufs den Durchfluss einer bestimmten Konfiguration schon vorher in guter Näherung berechnen. Den Strömungswiderstand von Rohr- und Schlauchleitungen kann man dabei mit gängigen Formeln in guter Näherung berechnen. Für entsprechende Berechnungen kann man sich auch entsprechender Software bedienen (im 'einfachsten' Fall Excel,...).

        Thermohydraulik:
        Hier ist zunächst festzuhalten das der Wärmestrom den ein Wasserkreislauf abtransportieren kann auf triviale Weise linear abhängig vom Durchfluss, der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmediums (bei Wasser bekanntlich ~4,2kJ/(kg*K)) und der Temperaturdifferenz im Kreislauf ist was im Artikel leider fehlt, für Auslegungsberechnungen aber häufig in guter Näherung genutzt werden kann wenn der Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Wasser in grober Näherung vernachlässigbar ist, was durchaus häufig der Fall ist. Hinzu kommt ein erwähnter und im Allgemeinen nicht-linear vom Durchfluss und zum Teil auch der Wassertemperatur und Temperaturdifferenz Kühler<->Wasser (die Temperaturen sind vor allem in der Nähe des Siedepunkts relevant was hier aber freilich im allgemeinen nicht gegeben ist auch wenn man entsprechende Effekte prinzipiell ausnutzen kann in dem man ein anderes Fluid als Wasser verwendet) abhängiger Wärmewiderstand zwischen Kühlkörpern und Wasser der sich aber experimentell in guter Näherung für verschiedene Durchflüsse ermitteln lässt. Wie schon angedeutet ist der Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Wasser bei modernen Feinstruktur-Kühlkörpern aber häufig und weitgehend unabhängig vom Durchfluss in guter Näherung vernachlässigbar.

        Zur Versuchsdurchführung:
        Leider werden mal wieder nicht Einzelkomponenten getestet sondern es wird ein komplexer Wasserkühlkreislauf als ganzes getestet. Die Auswahl der Pumpe für den Versuch ist angesichts der bekannten schlechten Regelbarkeit der Eheim-Pumpen im Vergleich zu Brushless-DC Pumpen eher suboptimal. Anstelle der zusätzlichen Radiatoren als Drossel wären einstellbare Drosselventile wohl besser gewesen. Ein offener Kreislauf mit absoluter Quantifizierung des Durchflusses und konstant gehaltener Temperatur am kalten Strang sowie mit nur einem Kühlkörper (mit Test unterschiedlicher Kühlkörper) wäre wohl representativer und würde die Gewinnung von Daten zulassen die für Auslegungsberechnungen genutzt werden können. Als Wärmequelle sind Heizelemente mit genau bekannter Leistung, Temperatur und Wärmeübergangsfläche zum Kühler freilich auch besser geeignet und representativer als CPUs oder GPUs deren Leistung wiederum stark temperaturabhängig ist,...

        ____
        Unterm Strich kann man sagen: Die Berechnung des Wärmetransports in Wasserkreisläufen ist ein technisch allgegenwärtiges und entsprechend gut erforschtes Problem. Die Effektivität, die Eigenschaften von Wasserkühlkreisläufen lässt sich schon vor dem Kauf und Zusammenbau in guter Näherung in Abhängigkeit der Auswahl der Komponenten berechnen- vorausgesetzt man verfügt über Daten die leider zum Teil nicht vom Hersteller angegeben werden und entsprechend in Tests ermittelt werden müssen.

        Wasserkühlungen für PCs werden häufig auf Basis grober Daumenpeilungen, Erfahrungswerte und dem allgegenwärtigen Motto "viel hilft viel" ausgelegt. Das geht aber auch besser.
  • Print / Abo
    Apps
    PC Games Hardware 01/2017 PC Games 12/2016 PC Games MMore 01/2016 play³ 01/2017 Games Aktuell 12/2016 buffed 12/2016 XBG Games 11/2016
    PCGH Magazin 01/2017 PC Games 12/2016 PC Games MMORE Computec Kiosk On the Run! Birdies Run
article
1163623
Wasserkühlung
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.
http://www.pcgameshardware.de/Wasserkuehlung-Hardware-217994/Specials/durchfluss-foerderhoehe-praxis-test-1163623/
30.07.2015
http://www.pcgameshardware.de/screenshots/medium/2015/07/Kennlinie_DDC-pcgh_b2teaser_169.png
specials