寒冷地區太陽能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統設計與試驗

劉 娟，田軍倉

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

在眾多的苦咸水/海水淡化技術中，反滲透技術是最先進有效、最節能的膜分離技術，然而反滲透（reverse osmosis，RO）濃水的處理卻是目前難以解決的一個問題。對于RO濃水處置最普遍的做法是直接排放，這樣既造成水資源浪費，又對環境產生嚴重污染。利用膜蒸餾技術處理RO濃水受到越來越多人的關注。膜蒸餾（membrane distillation，MD）是傳統蒸餾工藝與膜分離技術相結合的一種新型技術，它以疏水性微孔膜兩側的蒸汽壓差作為傳質推動力，該過程受熱側溶液濃度的影響很小，因此可用于RO濃水的處理。

國內外眾多學者利用膜蒸餾對高濃度鹽水進行了濃縮處理試驗，結果表明膜蒸餾是一種處理高濃度鹽水非常有前景的技術。Li等[1]利用直接接觸膜蒸餾（direct contact membrane distillation，DCMD）對高濃度鹽水進行處理。Mericq等[2]利用真空膜蒸餾（vacuum membrane distillation，VMD）對300g/L濃鹽水進行處理，模擬并優化了操作條件。Adham等[3]在不同的操作條件下，對膜蒸餾脫鹽裝置中不同MD膜的性能進行了比較。Ji等[4]對RO濃水的膜蒸餾結晶裝置進行了研究。陳利等[5]分別采用2種不同材質的膜對RO濃水進行VMD處理。王軍等[6]釆用膜蒸餾技術處理RO濃水，考察了各因素對處理結果的影響。劉東等[7]利用新型高通量聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）中空纖維疏水膜，對石化企業廢水經反滲透處理產生的濃水進行VMD處理。唐娜等[8]采用PVDF中空纖維膜及聚四氟乙烯（poly tetra fluoro ethylene，PTFE）微孔平板膜組件對RO濃水進行了VMD過程研究?？锃傊サ萚9]對VMD淡化高濃度鹽水過程中溫度、濃度、真空度對膜通量的影響進行了研究。

膜蒸餾的熱側溶液可在較低的溫度下產生蒸汽，因此可利用低等級的廢熱或太陽能為膜蒸餾提供熱源。太陽能膜蒸餾苦咸水/海水淡化技術尚處于試驗室研究和小型示范階段，歐盟委員會資助的SMADES項目開發了多個太陽能獨立驅動的膜蒸餾海水淡化系統[10]，Banat等[11]介紹了位于埃及的小型試驗裝置，其6個月的運行結果表明，在全天太陽輻射平均為7.25 kWh/d時，集熱器產水量為11.2 L/(d﹒m2)。Banat等[12]還介紹了位于約旦的試驗裝置，用電導率為55000 μm/cm的紅海海水作為進料液，集熱器單位面積的產水量為2～11L/d。Banat等[13]提出了一種將太陽能與膜蒸餾相結合的系統，以3.5%的NaCl溶液代替海水，當太陽輻射平均為252 W/m2時，系統工作7.5h的平均產水量為9 L /m2。Koschikowski等[14]在德國搭建了一個集熱面積為5.9m2的小型太陽能膜蒸餾試驗臺，在膜蒸餾冷側利用進料液回收蒸汽的冷凝熱，當最高水溫達到90℃時，膜通量為15L/h，在夏天產水量達到120L～160L/d。Qtaishat等[15]對太陽能膜蒸餾系統的性能及成本進行了研究。楊華劍[16]在杭州地區搭建了一個集熱面積為8m2的太陽能膜蒸餾試驗臺，集熱器產水量可以達到954 L/(y·m2)。殷文其等[17]在2010年將新型U型管式集熱器與膜蒸餾相結合，結果表明當進料液溫度和流量分別為88.6 ℃和332 L/h，冷卻水溫度和流量分別為10℃和440L/h時，膜通量為2.687 L /(m2·h)。曾輝[18]在2013年對太陽能真空膜蒸餾海水淡化系統進行了研究，在進料液溫度高于65 ℃和冷側真空度為0.080MPa時，膜通量可以達到14.4 L/(m2·h)。由此可見，利用太陽能低品位能源驅動膜蒸餾系統淡化苦咸水/海水是一項可行的水處理技術，然而太陽能集熱系統與膜蒸餾系統耦合匹配及系統最優設計是需要解決的一個問題[19-20]。

膜蒸餾過程產生的淡水蒸汽需要一定的冷凝設備冷凝后形成淡水，冷凝過程中淡水蒸汽釋放的汽化潛熱較大，目前有關膜蒸餾過程蒸汽相變熱回收的報道極少[21-24]。王麗[25]利用多級和多效減壓膜蒸餾過程對膜蒸餾過程的能量進行了回收。劉學晶[26]對減壓膜蒸餾系統進行了工藝改進，通過一級、二級、三級熱量回收式減壓膜蒸餾裝置，實現了系統的熱量回收再利用。高云霄[27]設計和制備了一種新型的具有內部熱回收功能的螺旋卷式氣隙膜蒸餾組件，實現對膜蒸餾過程中蒸汽潛熱的回收利用。張猛等[28]在VMD過程中設立特殊的多效蒸發區，使膜組件同時具有蒸汽的換熱降溫與原料液的升溫蒸發雙重作用，從而實現 VMD 過程蒸發潛熱的高效回收利用。通過文獻分析可知膜蒸餾過程的熱回收多為通過對蒸汽的多級和多效利用，實現了系統的潛熱回收，但還是避免不了利用冷卻水對膜蒸餾所產蒸汽進行冷凝。為實現蒸汽的冷凝需要大量的冷卻水，其耗水量遠高于膜蒸餾的產水量，因此難以實現減排的初衷。

針對目前RO濃水的零排放、太陽能集熱與膜蒸餾的耦合匹配以及膜蒸餾系統蒸汽冷凝過程的冷卻水減排和相變熱回收問題，本文設計了一套適用于寒冷地區的太陽能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統，并在寧夏銀川市賀蘭縣苦咸水地區的溫室大棚里進行試驗測試，對系統設計的合理性進行了驗證。本研究對解決太陽能集熱與膜蒸餾的耦合匹配及膜蒸餾的蒸汽冷凝和相變熱回收、降低膜蒸餾系統能耗、實現RO濃水零排放、減少濃水對環境污染具有重要意義。

1 系統組成、原理及設計

1.1 系統組成

寒冷地區太陽能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統主要由RO濃水箱、膜蒸餾組件、太陽能集熱器、冷凝裝置、循環泵、真空泵、淡水箱等構成，如圖 1所示。該系統放置在寧夏銀川市賀蘭縣欣榮村的溫室大棚中，系統前端是一套用于溫室灌溉的反滲透系統，由于RO濃水無法排放，因此采用減壓膜蒸餾進一步淡化。為了降低能耗，膜蒸餾所處理的RO濃水采用太陽能集熱器進行加熱。膜蒸餾產生的淡水蒸汽利用反滲透淡水池中的換熱盤管及溫室地熱盤管進行冷卻，即解決了蒸汽冷凝問題，又實現了相變熱回收并可用于溫室加熱。

圖1 太陽能減壓膜蒸餾RO濃水淡化系統圖Fig.1 System of RO brine desalination for solar vacuum membrane distillation

1.2 系統工作原理

如圖 1所示，地下苦咸水通過原水泵輸送到磁砂過濾器，由安保過濾器過濾后，經高壓泵加壓進入反滲透膜組件中，產生的淡水進入到淡水池中，產生的濃鹽水進入到濃鹽水箱中。濃鹽水經過太陽能集熱器間接加熱后，輸送到膜蒸餾組件，當太陽能集熱器不能將濃鹽水加熱到設定的溫度時，可通過電加熱器進行加熱。由膜蒸餾組件產生的淡水蒸汽被真空泵抽到淡水池散熱盤管中，經過淡水池蒸汽散熱盤管冷凝后，進入淡水箱，同時淡水池中的水被加熱，用于灌溉。當不需要加熱淡水池中的水時，膜蒸餾組件產生的淡水蒸汽可由真空泵抽到溫室的地下散熱盤管中，經溫室地下蒸汽散熱盤管冷凝后，進入淡水箱中，同時加熱盤管上部的作物。這兩種冷卻方式既節約了冷卻水，又充分利用了盤管中的熱量給灌溉水或作物加熱。經膜蒸餾組件不斷濃縮的濃鹽水最終排放到太陽能蒸發結晶器中。當需要加熱的淡水池溫度或溫室地溫未達到所需的溫度時，可通過淡水池太陽能集熱系統換熱盤管或溫室地下太陽能集熱系統換熱盤管加熱。

1.3 系統設計

1.3.1 膜蒸餾組件

系統前端RO濃水的產量為1m3/h，根據膜蒸餾廠家提供膜組件的產水量為 4L/m2﹒h，則所需的膜面積為250m2。由于本試驗裝置為中試系統，因此選用有效膜面積為10 m2的PTFE膜中空纖維膜組件，由浙江東大環境工程有限公司提供，型號為 DDPT-S2312，耐水壓0.160MPa，使用溫度為-190～250℃。中空纖維膜能夠承受的熱側濃水溫度為 80℃，壓力為-0.090 MPa，膜絲平均內徑為1.2 mm，平均外徑為2.3 mm，壁厚0.5mm，平均膜孔直徑為0.25μm，孔隙率55%。系統設計產水量為40 L/h，熱側濃水溫度為 80℃，滲透側真空壓力為-0.090MPa。

1.3.2 太陽能集熱器

普通的太陽能平板集熱器或真空管集熱器很難將濃水加熱到 80℃，因此選用山東力諾瑞特新能源有限公司的CPC型太陽能中溫集熱器。一組CPC型中溫集熱器外形尺寸為1.640 m×2.082 m，采光面積為3.026m2，最大工作壓力為 0.8MPa，靜態最高溫度為 276℃，載熱介質為導熱油（冬季防凍，夏季防結垢），容量為 2.23L。選用 1m3的保溫水箱作為膜蒸餾組件中的 RO濃水太陽能加熱水箱，同時兼做太陽能集熱器的緩沖箱?？紤]到RO濃水對集熱器管道的腐蝕性，系統采用間接連接方式。

濃水水箱的加熱設計溫度為 80℃，反滲透的濃水出水溫度為15℃，則所需的太陽能集熱器面積Ac可按式（1）計算[29]。

式中Qw為日均熱水量，m3；c為水的定壓比熱，kJ/(kg·)℃；ρ為水的密度，kg/m3；tend為水箱的加熱設計溫度，℃；tL水的初始溫度，℃；JT為銀川地區安裝傾角平面年平均日太陽輻照量[30]，MJ/m2；f為太陽能保證率，取60%[30]；ηcd為集熱器全日集熱效率，根據產品性能取72.7%；ηL為管路及貯水箱熱損失率，取20%；經計算得出，系統所需集熱面積為15.2 m2，實際選用5組CPC型太陽能中溫集熱器，安裝角度為銀川當地緯度?？紤]到陰天或冬季無法滿足要求時，選用6kW的輔助電加熱。

1.3.3 末端冷凝裝置

系統共采用兩種冷凝裝置，一種是浸沒在淡水池中的 ?40不銹鋼散熱盤管，一種是埋在溫室地下作物根部的?25地熱盤管，兩種冷凝裝置均是自制的裝置。

1）散熱量計算

80℃的淡水蒸汽降為常溫淡水（設平均為 20℃）的散熱量Q可根據式（2）計算。

式中r為80℃蒸汽所具有的汽化潛熱量，kJ/kg[31]； m為每小時產水量，kg；Δt為最高蒸汽溫度降為常溫淡水的溫差，℃；通過計算可知散熱盤管散熱量為28 442W/s。

2）不銹鋼散熱盤管長度計算

由于不銹鋼散熱盤管浸沒在淡水池中，因此管內蒸汽向管外的傳熱分為管內的凝結傳熱、管內壁向管外壁的導熱、管外壁向水的自然對流傳熱三個過程。

管內凝結傳熱表面傳熱系數ih按式（3）計算[31]。

式中各參數均為散熱盤管內蒸汽溫度 ts與管內壁溫度 tn的平均溫度tm對應的飽和水參數[31]，ts=80℃，設tn=40℃，則tm=60℃；tw為散熱盤管外表面溫度； g為重力加速度，m/s2；ρ為 tm對應的水密度，kg/m3；ρv為 80℃水蒸汽的密度，kg/m3；λi為凝結水的熱導率，W/(m·K)；μ為凝結水的動力粘度N·s/m2；d為管道直徑；r′為修正后的80℃水蒸汽的汽化潛熱，計算可得hi=5318.4 W/(m2·K)。

管外自然對流傳熱系數h0按式（4）計算[31]。

式中各參數均為散熱盤管外表面溫度 tw與水池水溫 tf的平均溫度tp所對應的飽和水參數[31]，設tw=35℃，tf=15℃，則tp=25℃；λ0為熱導率，W/(m·K)；α為體積膨脹系數，m2/s；Δt=tw-tf；ν為運動黏度，m2/s；Pr為普朗特準則數；C、n為由試驗確定的常數；計算可得h0=79.3 W/(m2·K)。

不銹鋼散熱盤管的綜合傳熱系數K按式（5）計算。

式中b為?40不銹鋼管的厚度，1.5mm；λ為不銹鋼管導熱系數，16 W/(m·K)[29]，則計算綜合傳熱系數k=72.8W/(m2·K)。

不銹鋼盤管長度l按式（6）計算：

經計算可得不銹鋼散熱盤管長度為 47.85m。設計選用直徑為?40，長度為50m的304不銹鋼鋼管做成散熱盤管放置在反滲透淡水池中。

3）溫室地熱盤管長度計算

溫室中的地熱盤管埋設在土壤中，管內蒸汽散熱過程為蒸汽在管內的凝結傳熱、管內壁向管外及其覆土層的導熱過程、地面與室內空氣的自然對流傳熱。這與采暖系統中地熱盤管的選型計算相似，則地熱盤管長度 l按式（7）計算：

式中q為每米地熱盤管的散熱量，?25的地熱盤管經驗值一般為q=20～25W/m[32]，本系統設計取25 W/m，經計算溫室地熱盤管的長度為1137m。設計選用直徑為?25，長度為1 140 m地熱盤管鋪設在溫室作物根部以下20cm處。

2 試驗材料與方法

2.1 RO濃水來源及組成

試驗所用 RO濃水為用于溫室滴灌的苦咸水反滲透淡化系統，該系統的淡水產量為3m3/h，淡水與濃水的產水比例為3:1，因此濃水產量為1 m3/h。濃水成分組成如表1所示。

表1 RO濃水成分組成Table 1 Composition of RO brine

2.2 試驗方案

1）太陽能集熱效果試驗

通過對當地太陽輻照度、室外溫度、太陽能集熱器的進出口溫度、RO濃水太陽能加熱水箱的水溫進行連續測試，分析太陽能集熱效果。

2）減壓膜蒸餾產水效果試驗

①保證滲透側真空壓力不變，改變熱側 RO濃水溫度，測試熱側膜蒸餾組件進出口處的RO濃水流量、溫度和滲透側淡化蒸汽質量流量及溫度，以及濃水和淡水電導率，分析熱側濃水溫度、濃度及膜污染對膜通量的影響。

②保證熱側 RO濃水溫度不變，改變滲透側真空壓力，測試熱側膜蒸餾組件進出口處的RO濃水流量、溫度和滲透側淡化蒸汽質量流量及溫度，以及濃水和淡水電導率，分析滲透側真空壓力、熱側濃水濃度及膜污染對膜通量的影響。

3）冷凝裝置冷凝效果試驗

通過對淡水池不銹鋼散熱盤管及溫室地下散熱盤管冷凝系統的入口處、中間段及出口處的溫度進行測試，分析蒸汽在散熱盤管中的溫度降，從而進一步分析冷凝系統的效果。

4）地熱盤管加熱效果試驗

地熱盤管鋪設在作物根部以下20cm處，因此對距離盤管上表面10、20cm處土壤的溫度進行測試，分析蒸汽散熱盤管對作物根部的加熱效果。

2.3 測試指標及方法

利用北京世紀建通環境技術有限公司提供的 JTR12太陽輻射觀察站和 JTR13B室外氣象觀察站對當地的太陽總輻照度和室外環境溫度進行測試。利用自制的智能監測系統對太陽能集熱器的進出口溫度、RO濃水太陽能加熱水箱溫度，及膜蒸餾組件的進出口濃水流量、膜蒸餾組件的濃水進出口溫度、淡水蒸汽出口溫度、不銹鋼蒸汽散熱盤管的進出口溫度、溫室蒸汽地熱盤管的進出口溫度進行測試，其中流量測量采用的是智能電磁流量計，流量測試范圍為 0～5m3/h，溫度測量采用的是三通專用DS18B20溫度傳感器，溫度測試范圍為-55～125℃。利用西安南控儀表設備有限公司提供的壓差補償型孔板蒸汽流量計對膜組件產生的蒸汽質量流量、溫度、真空度進行測試，蒸汽流量測量范圍0～310 m3/h，工作壓力-0.080 MPa，介質溫度-20～+120℃。利用美國奧豪斯的電導率儀測試膜蒸餾濃水在不同濃縮陪數下的電導率和膜蒸餾淡水電導率，測試范圍為0.02～200 mS/cm。系統所用的循環泵為不銹鋼離心泵，流量為2 m3/h。真空泵為7.5 kW的水環式真空泵，最大吸氣量為280 m3/h，極限真空度為-0.097 MPa。

3 結果與分析

3.1 太陽能集熱效果分析

2016年對太陽能集熱系統進行了全年測試，分別選擇冬、春、夏、秋季中典型的一天進行數據分析。圖 2為系統在1月25日、3月18日、7月3日及10月15日的變化曲線。

圖2 太陽能集熱效果分析圖Fig.2 Effect analysis of solar collector

由圖 2可知，所配的太陽能集熱器在春季和秋季可以將RO濃水加熱到80℃左右，夏季可加熱到90℃左右，而冬季可以加熱到 60℃左右。因此在不需要輔助電加熱的條件下，春夏秋 3個季節基本可以達到膜蒸餾的用熱要求，而冬季可通過輔助電加熱來滿足膜蒸餾的用熱要求。

3.2 減壓膜蒸餾效果分析

如圖3a所示，在溫室溫度為14℃以上、RO濃水礦化度為7.1g/L、系統流量為4m3/h的條件下，保持膜蒸餾滲透側真空壓力分別在-0.065、-0.070、-0.075、-0.080MPa時，淡水產水量隨著濃水進水溫度的升高而升高。在真空壓力為-0.080MPa時，70℃的產水量是60℃的1.18倍，而80℃的產水量是60℃的2.08倍。如圖3b所示，在相同條件下，保持濃水進水溫度分別在 60、65、70、75、80℃時，淡水產水量隨滲透側真空壓力的升高而升高。在濃水進水溫度為80℃的條件下，真空壓力為-0.080MPa的產水量，分別比-0.065、-0.070、-0.075MPa的產水量提高了近2倍、1.5倍、1.2倍。因此隨著濃水進水溫度和滲透側真空壓力的升高，膜蒸餾淡水產量也逐漸增大，其函數關系可按式[33]（10）表示。

式中J為膜蒸餾淡水產量，kg/h；Bm為膜蒸餾滲透系數，與膜的孔隙率、平均孔徑、膜厚度、膜孔內的彎曲度等構造有關；Pmf為熱側膜表面蒸氣壓，Pa；Pmp為滲透側膜表面蒸氣壓，Pa；Pv為真空泵壓力，Pa。水蒸氣壓可由安托萬公式[35]按式（11）計算。

式中A，B，C都是常數，對于水A=16.3872，B=3885.70，C=230.70[34]，T為水蒸氣溫度，℃。

圖3 不同因素對減壓膜蒸餾產水量的影響Fig.3 Effect of different factors on fresh water yield of vacuum membrane distillation

當達到中空纖維膜所能耐受的最高溫度 80℃，及銀川地區膜蒸餾系統滲透側所能達到的最大穩定真空壓力-0.080MPa時，膜蒸餾的淡水產水量達到最高值，可達到37.62 L/h。減壓膜蒸餾系統滲透側真空壓力設計值為-0.090MPa，由于受地域的限制和真空泵效率的影響，該系統滲透側所能達到的最大穩定真空壓力為-0.080MPa，因此減壓膜蒸餾的淡水產量低于設計的40L/h。

如圖3c所示，在濃水進水溫度為76℃、滲透側真空壓力為-0.077MPa、濃水流量為1.85 m3/h的條件下，系統連續運行4.5h，產水流量從0.474降到了0.33L/min，電導率由6.73增加到了11.82ms/cm，可以看出隨著濃水體積的減少，濃水濃度的增加，膜污染增大，導致淡水產量逐漸下降。如圖3d所示，在系統運行了近240h以后，采用5%的硫酸溶液對中空纖維膜進行清洗。在濃水進水溫度為 80℃、真空壓力為-0.080MPa的條件下，清洗后的系統產水量比清洗前提高了近1.5倍。

3.3 冷凝裝置冷凝效果分析

如圖4a所示，將不銹鋼散熱盤管的蒸汽入口處作為橫坐標的0點，沿不銹鋼盤管長度50m處作為不銹鋼散熱盤管凝結淡水出口，分別測試離不銹鋼盤管入口處0、10、30、50m處的管內溫度。當不銹鋼散熱盤管入口處的淡水蒸汽溫度分別為60、55、50、45、40℃時，隨著蒸汽在管內的流動，到不銹鋼散熱盤出口處的溫度都接近水池中冷卻水的溫度20℃左右。因此可以說明設計的不銹鋼散熱盤管長度可以滿足蒸汽冷凝的要求。

如圖4b所示，將地熱盤管的蒸汽入口處作為橫坐標的0點，沿地熱盤管長度1140m處為地熱盤管凝結淡水出口，分別測試離地熱盤管入口處0、380、760、1140m處的管內溫度。當地熱盤管入口處蒸汽溫度分別為 60、55、50、45、40℃時，地熱盤管出口處的溫度均在 20℃左右，接近土壤溫度，說明設計的地熱盤管長度可以滿足蒸汽冷凝的要求。

圖4 末端冷凝效果分析圖Fig.4 Analysis of condensing effect

3.4 地熱盤管加熱效果分析

如圖5所示，當溫室地熱盤管中淡水蒸汽溫度從40℃上升到 65℃時，地熱盤管表面溫度上升的幅度較大，但離盤管以上10、20cm處土壤的溫度變化幅度較小，在10cm處的土壤溫度平均在30℃左右，在20cm處的土壤溫度平均在25℃左右，對作物的根部有一定的加熱作用。因此在地表以下30～40cm處鋪設地熱盤管較為適宜。

圖5 地熱盤管內不同蒸汽溫度對不同土壤層的影響Fig.5 Effect of different soil layers on different steam temperatures in geothermal coil

如圖5所示，當溫室地熱盤管中淡水蒸汽溫度從40℃上升到65℃時，地熱盤管表面溫度上升的幅度較大，但離盤管以上10、20cm處土壤的溫度變化幅度較小，在10cm處的土壤溫度平均在 30℃左右，在 20cm處的土壤溫度平均在 25℃左右，對作物的根部有一定的加熱作用。因此在地表以下30～40cm處鋪設地熱盤管較為適宜。

4 結 論

1）在試驗條件下，所選的集熱器面積基本可以滿足全年的膜蒸餾用熱要求，在溫室淡水池中設計的不銹鋼散熱盤管長度可以滿足蒸汽冷凝要求，在地表以下 30～40cm處鋪設地熱盤管可以滿足冷凝要求和溫室加熱需求。

2）膜蒸餾淡水產水量隨濃水進水溫度、滲透側真空壓力的增大而增大。當濃水進水溫度為 80℃、滲透側真空壓力為-0.080MPa時，產水量最大。在膜蒸餾系統運行240 h時間后，產水量隨膜污染的增大而減小，當對中空纖維膜進行清洗后，清洗后的產水量比清洗前提高了近1.5倍。

3）通過試驗驗證，寒冷地區太陽能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統基本能夠滿足使用要求。

本文對寒冷地區太陽能減壓膜蒸餾 RO濃水淡化系統進行了初步設計與試驗研究，下一步還需對整個系統進行優化設計。通過對太陽能集熱器的集熱性能、減壓膜蒸餾產水量的影響因素及冷凝裝置的冷凝方式做更深入的研究，建立相應的數學模型，并通過數值模擬分析系統的最佳匹配條件，從而對實現對系統的優化設計。