aalto1 untyped-item.component.html
Balancing carbon in the expanding city: Assessing the viability of buildings as climate champions
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-11-28
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
67 + app. 67
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 215/2025
Abstract
Cities have become the primary arenas for climate action. Rapid urbanization and growing construction demand intensify the challenge of restoring the climate to a safe operating space, as the building sector produces over a third of global greenhouse gas emissions. This dissertation explores the potential of buildings to act as climate champions in the context of urban regional development, with a particular focus on the potential within biogenic material use. The dissertation aims to respond to two core research questions. The first evaluates methods in how urban development can facilitate carbon negativity, while the second assesses how urban development strategies have influenced the whole life carbon emissions of buildings. The dissertation is comprised of four peer-reviewed journal articles and utilizes both qualitative and quantitative methods to strengthen credibility and reduce limitations of the presented arguments.
The dissertation begins by analyzing the state of knowledge and assessing key knowledge gaps in existing scientific literature. This knowledge is then applied to formulate the underlying framework of this dissertation that is applied to guide a series of empirical case studies conducted across three distinct spatial planning levels, encompassing regional, municipal, and local detailed levels.
Findings reveal that urban vegetation, urban soils, and biogenic construction materials are the most prominent methods for biogenic carbon sequestration and storage in the built environment. However, the formation of these carbon pools is highly complex and is shaped by multiple interdependent background variables. These complex relationships become particularly evident during expanding urban development, when the various biogenic carbon stocks compete for limited land resources. Consequently, the dissertation demonstrates that, even amid urban expansion, residential development can achieve net carbon uptake when appropriate land use efficacy, material selection, and renewability of biogenic carbon stocks are ensured. At the same time, while top-down policy interventions have successfully reduced operational carbon emissions from buildings, the urban paradigm has unintentionally limited the adoption of biogenic materials in construction. This has increased the embodied carbon intensity of new construction, while continued urban growth has led to a net loss in biogenic carbon stocks within urban environments.
This dissertation argues that new residential building investments should no longer be justified as ‘sustainable’ solely on the basis of good energy performance. Municipal climate strategies must continue to encourage fossil-free energy production and building energy efficiency but increasingly prioritize low carbon and carbon storing development. Realizing buildings as climate champions requires more ambitious top-down policies that mandates stronger climate action. Additionally, urban planners and developers need to actively reimagine urban typologies that are more conducive towards low carbon and carbon storing developments, drawing inspiration from the past and visions of desired futures.
The novelty of this dissertation lies in the assessment of urban planning and development strategies relative to political ambitions in driving the use of biogenic materials in urban environments. This dissertation contributes significantly to the theoretical proposition of buildings (or cities) as carbon sinks, underlining the critical components of future decarbonization efforts in the built environment.
Kaupungistuminen ja siihen liittyvä rakentamisen tarve asettaa merkittävän haasteen ilmastotavoitteiden saavuttamiselle, sillä kiinteistö- ja rakennusala vastaa yli kolmanneksesta maailmanlaajuisista kasvihuonekaasupäästöistä. Tämä väitöskirja tarkastelee uudisrakennusten mahdollisuuksia toimia keskeisinä tekijöinä ilmastonmuutoksen hillinnässä osana laajempaa kaupunkikehityksen kontekstia, erityisesti keskittyen biogeenisten rakennusmateriaalien vaikutusmahdollisuuksiin. Tutkimus pyrkii vastaamaan kahteen keskeiseen kysymykseen: ensinnäkin, millä menetelmillä kaupunkikehitys voi edistää hiilinegatiivisuutta, ja toiseksi, miten kaupunkikehitysstrategiat ovat vaikuttaneet rakennusten elinkaaren aikaisiin ilmastopäästöihin.
Väitöskirja koostuu neljästä vertaisarvioidusta tieteellisestä artikkelista ja hyödyntää sekä kvalitatiivisia että kvantitatiivisia menetelmiä vahvistaakseen tulosten luotettavuutta ja rajoittaakseen esitettyjen väittämien rajoitteita. Työ alkaa olemassa olevan tutkimuskirjallisuuden analyysillä, jonka tavoitteena on hahmottaa tiedon nykytila ja tunnistaa keskeiset aukot. Tämä analyysi muodostaa väitöskirjan viitekehyksen, jota sovelletaan empiirisiin tapaustutkimuksiin kolmella eri suunnittelutasolla: maakunta-, kunta- ja kaupunginosatasolla.
Tulokset osoittavat, että kaupunkivihreä, maaperän hiilivarannot sekä biogeeniset rakennusmateriaalit muodostavat rakennetussa ympäristössä keskeisiä hiilensidonnan ja -varastoinnin muotoja. Niiden muodostumista ohjaavat taustatekijät ovat kuitenkin hyvin monimutkaisia ja keskinäisriippuvaisia, ja ne kietoutuvat yhteen lukuisten vuorovaikutussuhteiden kautta. Nämä monimutkaiset vuorovaikutussuhteet ovat erityisen läsnä kaupunkien kasvaessa, jolloin eri hiilivarannot kilpailevat samoista rajallisista maa-alueista. Rakennusten rooli nousee siis yhdeksi keskeiseksi hiilivaraston kasvattamisen mahdollisuutena kasvavilla kaupunkiseuduilla. Koska kaupunkien kasvu tapahtuu usein viheralueiden kustannuksella, biogeenisten materiaalien käyttö tarjoaa konkreettisen keinon vahvistaa rakennetun ympäristön hiilivarastokapasiteettia. Vaikka ylhäältä alas suuntautuvat politiikkatoimet ovat onnistuneet vähentämään rakennusten käytön aikaisia elinkaaripäästöjä, nykyinen kaupunkikehitysparadigma on epäsuorasti rajoittanut biogeenisten materiaalien käyttöä rakentamisessa. Tämä johtuu siitä, että mm. puurakentaminen kohtaa systeemisiä haasteita suuremmissa rakennustyypeissä. Kaupunkikehitysstrategioiden muutos on siis lisännyt rakentamisen päästöintensiteettiä ja johtanut kaupunkialueiden biogeenisten hiilivarastojen nettohävikkiin.
Kiinteistöjen rooli aktiivisina ilmastoratkaisuina edellyttää, että kunnalliset ilmastostrategiat jatkavat fossiilivapaan energiantuotannon tukemista mutta kohdistavat entistä enemmän huomiota tuotesidonnaisten päästöjen vähentämiseen ja hiilivarastojen kasvattamiseen. Väitöskirjan keskeinen argumentti on, että ilmastopositiivisen rakennetun ympäristön toteuttaminen vaatii kunnianhimoisempaa sääntelyä, joka mahdollistaa nopeampaa ja määrätietoisempaa vähähiilisyystoimia. Sääntelyn lisäksi kaupunkisuunnittelijoiden ja -kehittäjien tulisi edistää sellaisia kehitysmalleja, jotka paremmin tukevat vähähiilistä sekä hiiltä varastoivaa rakentamista, ammentaen tietoa ja taitoa menneestä sekä tulevaisuuden tavoitetiloista.
Description
Supervising professor
Junnila, Seppo, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, FinlandThesis advisor
Amiri, Ali, Dr., Aalto University, Department of Built Environment, Finland (Guest professor, TU Darmstadt, Germany)Other note
Julkaisun ISBN-tunnuksessa on kirjoitusvirhe copyright-sivulla ja takakannessa.
There is a typo in the ISBN of the publication on the copyright page and back cover.
There is a typo in the ISBN of the publication on the copyright page and back cover.
Parts
- [Publication 1]: Kinnunen, A., Talvitie, I., Ottelin, J., Heinonen, J., & Junnila, S. (2022). Carbon sequestration and storage potential of urban residential environment – A review. Sustainable Cities and Society, 84, 104027.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104690DOI: 10.1016/j.scs.2022.104027 View at publisher
- [Publication 2]: Talvitie, I., Kinnunen, A. E., Amiri, A., & Junnila, S. (2023). Can future cities grow a carbon storage equal to forests? Environmental Research Letters.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202304262889DOI: 10.1088/1748-9326/acc677 View at publisher
- [Publication 3]: Talvitie, I., Amiri, A., & Junnila, S. (2024). Spatiotemporal evaluation of embodied carbon in urban residential development. Buildings and Cities, 5(1), 704–722.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202412177882DOI: 10.5334/bc.471 View at publisher
- [Publication 4]: Talvitie, I., Amiri, A., Junnila, S., & Vimpari, J. (2025). Land use and housing policy implications on building whole life carbon. Environmental Research Letters.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508135951DOI: 10.1088/1748-9326/ade60a View at publisher