Quando as conexões são retornadas ao pool de conexões com o Spring JPA (Hibernate) Entity Manager?

Não é nada complicado.

Primeiro, você precisa entender que o gerenciador de transações Spring é apenas uma abstração de gerenciamento de transações. No seu caso, as transações reais acontecem no nível de conexão JDBC.
Todos @Transactional chamadas de métodos de serviço são interceptadas pelo TransactionInterceptor Aspecto.
O TransactionIntreceptor delega o gerenciamento de transações para o AbstractPlatformTransactionManager implementação (JpaTransactionManager no seu caso).
JpaTransactionManager vinculará a transação Spring em execução atual a um EntityManager, para que todos os DAOs participantes da transação atual compartilhem o mesmo contexto de persistência.

JpaTransactionManager simplesmente usa o EntityManager API de transações para controlar transações:

 EntityTransaction tx = txObject.getEntityManagerHolder().getEntityManager().getTransaction();
 tx.commit();

A API de transação JPA simplesmente delega a chamada para os métodos de confirmação/reversão de conexão JDBC subjacentes.

Quando a transação é concluída (commit/rollback), o org.hibernate.engine.transaction.internal.jdbc.JdbcTransaction chamadas:
```
 transactionCoordinator().getTransactionContext().managedClose();
```

que aciona o fechamento de uma sessão do Hibernate (Entity Manager).

A conexão JDBC subjacente é, portanto, acionada para ser fechada também:
```
 jdbcCoordinator.close();
```

O Hibernate tem um identificador de conexão JDBC lógico:

 @Override
 public Connection close() {
     LOG.tracev( "Closing JDBC container [{0}]", this );
     if ( currentBatch != null ) {
     LOG.closingUnreleasedBatch();
         currentBatch.release();
     }
     cleanup();
     return logicalConnection.close();
 }

A conexão lógica delega a chamada próxima ao provedor de conexão configurado no momento (DataSourceConnectionProvider no seu caso), que simplesmente chama o método close na conexão JDBC:
```
 @Override
 public void closeConnection(Connection connection) throws SQLException {
      connection.close();
 }
```
Como qualquer outro DataSource de pool de conexões, o fechamento da conexão JDBC simplesmente retorna a conexão com o pool e não fecha a conexão física do banco de dados. Isso porque o DataSource do pool de conexões retorna um proxy de conexão JDBC que intercepta todas as chamadas e delega o fechamento à lógica de manipulação do pool de conexões.

Observe que, para transações RESOURCE_LOCAL, você também deve definir o hibernate.connection.provider_disables_autocommit propriedade se o autocommit check foi desabilitado pelo pool de conexões. Dessa forma, as conexões de banco de dados serão adquiridas lentamente antes de executar uma consulta SQL ou liberar o contexto de persistência.